DE102012209110A1

DE102012209110A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102012209110A1
Application number: DE102012209110A
Authority: DE
Inventors: Merten Lipkowski; Christoph Bernhard Rösmann; Thomas Wösch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2013178423A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist, mit den folgenden Schritten: bestimmen ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) einer nächstliegenden Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Bahn; berechnen einer Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet; berechnen von maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) zum Abfahren der Simulationsbahn; und ansteuern einer Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn, insbesondere eines autonom fahrenden Fahrzeugroboters.
Autonom fahrende Fahrzeuge AFF werden vielseitig angewendet. Beispielsweise werden autonom fahrende Fahrzeuge als fahrerlose Transportfahrzeuge im Bereich der Lagerlogistik eingesetzt oder als fahrerlose Servicefahrzeuge im Bereich der Gebäudereinigung. Derartige autonom fahrende Fahrzeuge fahren in einem Gebiet vorgegebene Bahnen ab.
Eine Bahn weist eine Folge von Konfigurationen auf, die Informationen über eine Position und Orientierung des jeweiligen Fahrzeuges im Raum enthalten. Mithilfe der Konfigurationen kann eine vorgegebene Bahn für das autonom fahrende Fahrzeug vollständig beschrieben werden.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen Stellgrößen für autonom fahrende Fahrzeuge AFF derart bestimmt werden, dass das autonom fahrende Fahrzeug mithilfe einer durch die Stellgrößen angesteuerte Antriebseinrichtung zu einer gegebenen Zielkonfiguration gesteuert werden kann. Allerdings berücksichtigen derartige herkömmliche Verfahren nicht die individuelle Fahrzeugdynamik des jeweiligen autonom fahrenden Fahrzeuges AFF. Dies kann speziell in Bahnkurven dazu führen, dass das autonom fahrende Fahrzeug AFF beim Eintreten in den Kurvenbereich die plötzlich notwendigen Drehgeschwindigkeiten bzw. rotatorischen Geschwindigkeiten zum Einhalten der vorgegebenen Bahn nicht mehr ausführen kann und die Bahn ungewollt verlässt. Um dies zu vermeiden, dass beispielsweise aufgrund einer Kurve die Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges Geschwindigkeiten aufgrund von Stellgrößen bereitstellen muss, die die Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF nicht ausführen kann, werden daher herkömmliche Verfahren eingesetzt, welche die Stellgrößen für die Antriebseinrichtung vorausschauend berechnen bzw. ermitteln. Dabei wird innerhalb eines Suchraumes die Auswirkung verschiedener Stellgrößen und das Verhalten des autonom fahrenden Fahrzeuges simuliert. Die Auflösung des Suchraumes bestimmt dabei, wie exakt eine Zielkonfiguration durch das autonom fahrende Fahrzeug AFF angefahren werden kann.
Für das zuvor beschriebene Szenario, bei dem ein autonom fahrendes Fahrzeug die Kurve durchfährt, bedeutet dies, dass durch das vorausschauende Fahren rechtzeitig ein Kurveneintritt des autonom fahrenden Fahrzeuges in eine Kurve detektiert wird und die Stellgrößen für die Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges derart angepasst werden müssen, dass die Kurve durch das autonom fahrende Fahrzeug AFF möglichst bahntreu durchfahren wird. Allerdings ist das Durchsuchen eines Suchraumes im Zuge einer Simulation sehr aufwendig. Wird der Suchraum eingeschränkt, indem beispielsweise nur jene Geschwindigkeiten betrachtet werden, die innerhalb aufeinanderfolgender Regeltakte auch gestellt werden können, wird jedoch ein optimales Abfahren entsprechend einer vorgegebenen Zielfunktion für die vorgegebene Bahn verhindert.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn zu schaffen, bei welcher die vorgegebene Bahn durch das autonom fahrende Fahrzeug mit hoher Bahntreue und schnell abgefahren wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges einer nächstliegenden Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Bahn mit einem Mindestabstand zur momentanen Konfiguration,
Berechnen einer Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit der gefundenen Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet,
Berechnen von maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug zum Abfahren der Simulationsbahn und Ansteuern einer Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen des autonom fahrenden Fahrzeuges.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es einem autonom fahrenden Fahrzeug AFF, eine vorgegebene Bahn möglichst schnell und genau abzufahren bzw. zu befahren, wobei die individuelle Fahrdynamik des jeweiligen autonom fahrenden Fahrzeuges AFF berücksichtigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges kann sowohl für Bahnen eingesetzt werden, die während der Laufzeit konstant sind, als auch für Bahnen, die während der Laufzeit modifiziert werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verglichen, um festzustellen, ob das autonom fahrende Fahrzeug die Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn bereits erreicht hat. Ist dies der Fall, kann das Verfahren beendet werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt eine Konfiguration eine Position und eine Orientierung des autonom fahrenden Fahrzeuges im Raum an.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mittels Sensoren erfasst.
Bei einer möglichen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges durch Sensoren anhand von Bodenmarkierungen erfasst, die auf einem Boden angebracht sind, über den sich das autonom fahrende Fahrzeug AFF bewegt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Stellgrößen eine translatorische oder rotatorische Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die Stellgrößen eine translatorische oder rotatorische Beschleunigung des autonom fahrenden Fahrzeuges auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug in Echtzeit berechnet.
Die Erfindung schafft ferner eine Steuervorrichtung mit den in Patentanspruch 9 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach eine Steuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist,
wobei die Steuervorrichtung ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges eine nächstliegende Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Bahn bestimmt und eine Simulationsbahn berechnet, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet, wobei die Steuervorrichtung maximal zulässige Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug zum Abfahren der Simulationsbahn berechnet und eine Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen des autonom fahrenden Fahrzeuges ansteuert.
Die Erfindung schafft ferner ein autonom fahrendes Fahrzeug mit den in Patentanspruch 10 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft demnach ein autonom fahrendes Fahrzeug mit einer Steuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung des autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist, wobei die Steuervorrichtung ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges eine nächstliegende Konfiguration der zu befahrenden Bahn bestimmt und eine Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Trajektorie verbindet, berechnet, wobei die Steuervorrichtung maximal zulässige Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug zum Abfahren der Simulationsbahn berechnet und eine Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen des autonom fahrenden Fahrzeuges ansteuert.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges weist dieses Sensoren zur Erfassung einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges wird die vorgegebene abzufahrende Bahn aus einem Datenspeicher des autonom fahrenden Fahrzeuges ausgelesen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges wird die vorgegebene abzufahrende Bahn über eine Eingabeschnittstelle des autonom fahrenden Fahrzeuges eingegeben.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges wird die vorgegebene abzufahrende Bahn über eine Funkschnittstelle an einen Transceiver des autonom fahrenden Fahrzeuges übertragen.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges ist das autonom fahrende Fahrzeug ein fahrerloses Transportfahrzeug, insbesondere ein Transportfahrzeug, wie es in der Lagerlogistik eingesetzt wird.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges ist das autonom fahrende Fahrzeug ein Servicefahrzeug, insbesondere ein Servicefahrzeug, welches für eine Gebäudereinigung eingesetzt wird.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn;
2 ein Diagramm zur Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges;
3 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges;
4 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges;
5 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines autonom fahrenden Fahrzeuges AFF gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines möglichen Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges entlang einer vorgegebenen Bahn gemäß der Erfindung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem ersten Schritt S1 ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges eine nächstliegende Konfiguration einer zu befahrenden vorgegebenen Bahn bestimmt. Die Bahn besteht dabei aus einer Folge von Konfigurationen. 2 zeigt beispielhaft eine Menge von Konfigurationen, die eine Bahn beschreiben. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel umfasst die vorgegebene Bahn m = 11 Konfigurationen. Eine Konfiguration der Bahn beschreibt eine Position und eine Orientierung des autonom fahrenden Fahrzeuges im Raum. Die Konfiguration kann beispielsweise als Vektor wie folgt dargestellt werden:
Die vorgegebene Bahn wird durch eine Menge von Konfigurationen wie folgt beschrieben: B = {p p / k}_k=0...m (2)
Der Vektor:
beschreibt somit die n-te Konfiguration der vorgegebenen Bahn. Die Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF ist gegeben durch:
wobei die Koordinaten x^f, y^f die Position und die Koordinate β^f die Orientierung des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF auf einer von dem Fahrzeug befahrenen Oberfläche angeben. Bei einer möglichen Ausführungsform wird eine momentane bzw. aktuelle Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mithilfe von Sensoren bestimmt. Beispielsweise können die Sensoren anhand von Bodenmarkierungen erfasst werden. Bodenmarkierungen können in vorgegebenen Abständen auf einem von dem Fahrzeug zu befahrenden Boden angebracht sein. Beispielsweise können die Bodenmarkierungen durch die Sensoren optisch erfasst werden. Die vorgegebene Bahn umfasst eine Sollbahn, die von dem autonom fahrenden Fahrzeug zu befahren ist. Die vorgegebene Bahn kann bei einer möglichen Ausführungsform aus einem Datenspeicher des autonom fahrenden Fahrzeuges ausgelesen werden. Bei einer weiteren Variante kann die vorgegebene Bahn über eine Nutzerschnittstelle des autonom fahrenden Fahrzeuges eingegeben werden. Weiterhin ist es möglich, dass die Bahn, welche von dem autonom fahrenden Fahrzeug zu befahren ist, über eine Funkschnittstelle an eine Funkschnittstelle bzw. einen Transceiver des autonom fahrenden Fahrzeuges übertragen wird.
In dem autonom fahrenden Fahrzeug befindet sich eine Steuervorrichtung einer Berechnungseinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor oder dergleichen, der beispielsweise anhand der sensorisch erfassten momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges und der vorgegebenen Bahn ausgehend von der momentanen Konfiguration eine nächstliegende Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Trajektorie bestimmt. Für die in Rechenzyklus S1 gefundene Konfiguration kann bei einer möglichen Ausführungsform der kleinste euklidische Abstand zwischen der momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges und den Bahnkonfigurationen gesucht werden. Dabei wird in einer vorzugsweisen Ausführung immer von der im vorhergehenden Zyklus gefundenen nächstliegenden Konfiguration ausgegangen.
Im nachfolgenden Schritt S2 wird ausgehend von der gefundenen Konfiguration an Index c aus Schritt S1 eine anzufahrende Zielkonfiguration bestimmt. In einer möglichen Ausführungsform wird dazu die Variation über mehrere Konfigurationen entlang der Bahn betrachtet.
Wird beispielsweise für k = n der Schwellwert V = V_max erreicht, ist die nächstliegende Zielkonfiguration p p / n gefunden. Sind keine Konfigurationen entlang der Bahn mehr vorhanden, so entspricht die Zielkonfiguration der Endkonfiguration der Bahn p p / n = p p / m. Durch die Variation kann die Entfernung zwischen der Zielkonfiguration und der Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges eingestellt werden. Die in Gleichung (6) angegebenen Gewichtungsfaktoren k_t und k_r können dabei die unterschiedlichen Einheiten zwischen Abstands- und Winkelinformationen mitberücksichtigen. Beispielsweise kann die nächstliegende Konfiguration p p / n die in 3 dargestellte Konfiguration p p / 6 sein.
Bei dem in 1 dargestellten Verfahren wird in einem Schritt S2 die momentane Konfiguration mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verglichen, um festzustellen, ob das autonom fahrende Fahrzeug die Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn erreicht hat. Bei Bewegung des Fahrzeugs entlang der Bahn wird die Zielkonfiguration entlang der Bahn verschoben, bis diese der Endkonfiguration entspricht und nicht mehr weiter verschoben wird. Entspricht die Fahrzeugkonfiguration der Endkonfiguration, kann der Vorgang beendet werden. Es wird somit die Konfiguration p^f des autonom fahrenden Fahrzeugs mit der Endkonfiguration der Bahn p p / n verglichen, um festzustellen, ob die Bahn bereits von dem autonom fahrenden Fahrzeug vollständig abgefahren ist. Bei diesem Vergleich können Position und Orientierung getrennt voneinander betrachtet werden. Eine Bahn wird als abgefahren angesehen, wenn die Positionsdifferenzen
und die Orientierungsdifferenzen ||β^f – β p / n|| < L_r (8) zwischen der Konfiguration p^f des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF und der Zielkonfiguration p p / n der Bahn in einem erlaubten Bereich liegen.
In einem weiteren Schritt S3 wird eine Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet, berechnet. Es wird somit die Bahn zwischen der Konfiguration p^f des autonom fahrenden Fahrzeuges mit der Konfiguration p p / n bestimmt. Dabei kann unter Verwendung eines Reglers innerhalb der Steuervorrichtung die Simulationsbahn C ermittelt werden, welche die Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit der Zielkonfiguration verbindet. Bei einer möglichen Ausführungsform wird dabei von einem autonom fahrenden Fahrzeug mit einer Antriebseinrichtung ausgegangen, bei dem als Stellgrößen eine Geschwindigkeit v und eine Drehgeschwindigkeit ω zur Verfügung stehen. Eine einfachere Modellierung eines derartigen autonom fahrenden Fahrzeuges ist gegeben durch: x^& = vcosβ y^& = vsinβ β^& = ω (9)
Es ist möglich, einen Regler einzusetzen, mit dem das beschriebene Modell, d.h. das autonom fahrende Fahrzeug, derart geregelt werden kann, dass eine Zielkonfiguration der Simulationsbahn erreicht wird. Der Regler liefert die Stellgrößen für die Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges. Bei einer möglichen Ausführungsform umfassen die Stellgrößen translatorische und/oder rotatorische Geschwindigkeiten des autonom fahrenden Fahrzeuges. Weiterhin können die Stellgrößen bei einer möglichen Ausführungsform translatorische oder rotatorische Beschleunigungen des autonom fahrenden Fahrzeuges aufweisen. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liefert ein Regler in Schritt S3 als Stellgrößen eine translatorische Geschwindigkeit v und eine rotatorische Geschwindigkeit ω über die lineare Zustandsrückführung:
Dabei ist die Zustandsrückführung stabil, sofern gilt: k_p > 0 k_ϕ < 0 k_α + k_ϕ – k_p > 0 (11)
Die dabei verwendeten Reglergrößen sind in 3 angegeben, in der die aktuelle Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges p^f und die nächstliegende Konfiguration p p / 6 der vorgegebenen Simulationsbahn gezeigt sind. Der Regler liefert als Ergebnis zu einer Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges und einer Zielkonfiguration in dem dargestellten Beispiel Stellgrößen v und ω für die Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges. Beschränkungen der Stellgrößen werden im nachfolgenden Schritt S4 berücksichtigt.
Ausgehend von einer aktuellen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Auswirkung der ermittelten Stellgrößen bei einer Simulation getestet. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von verschiedenen Konfigurationen aus durchgeführten Simulationsschritten. Bei einem Simulationsschritt ergibt sich eine neue AFF-Konfiguration, für die wiederum die Stellgrößen ermittelt werden. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Zielkonfiguration erreicht ist. Durch die Verwendung eines stabilen Reglers ist dieses in jedem Fall garantiert. In Abbildung 4 sind die Zwischenschritte der durchgeführten Simulation dargestellt. Dabei kennzeichnen die dargestellten Punkte jeweils eine AFF-Konfiguration eines durchgeführten Simulationsschrittes, ausgehend von der momentanen aktuellen Konfiguration p^f des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF bis hin zur Zielkonfiguration p p / 6.
Als Ergebnis erhält man eine Folge von (v s / k ω s / k) W Werte-Paaren. In diesen Werte-Paaren sind noch keine Stellgrößenbeschränkungen berücksichtigt. Die Einzelwerte sind an dieser Stelle nicht von Interesse, sondern deren jeweiliges Verhältnis. Das Verhältnis:
beschreibt die Kurvenkrümmung in dem jeweiligen Punkt. Weiterhin beschreibt die Folge von Krümmungen den Verlauf der Bahn. Die Simulationsbahn erhält neben den positionsbeschreibenden Parametern noch Angaben über die Krümmung:
wobei χ s / k die Kurvenkrümmung angibt.
Während die Simulationsbahn C, insbesondere deren Krümmung beschreibender Parameter χ s / k unverändert bleiben, werden im nächsten Berechnungsschritt die entsprechenden Stellgrößen ermittelt.
In einem weiteren Schritt S4 werden maximal zulässige Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug zum Abfahren der Simulationsbahn C berechnet. Dabei wird für die Simulationsbahn C ermittelt, wie schnell das autonom fahrende Fahrzeug tatsächlich fahren kann. Ausgehend von der Zielkonfiguration und der maximalen Geschwindigkeit an dieser Stelle wird die Simulationsbahn gewissermaßen rückwärts durchlaufen, bis man an der momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges angekommen ist. Die Geschwindigkeitswerte werden dabei entsprechend den zulässigen Werten angepasst.
Die maximalen Geschwindigkeitswerte an der Zielkonfiguration p p / n werden in einer möglichen Ausführungsform als null angenommen: v ^ s / w = 0 ω ^ s / w = 0 (14)
Wenn neben den lagebeschreibenden Bahnparametern auch Geschwindigkeitsinformationen vorhanden sind, können diese unmittelbar als maximale Geschwindigkeitswerte für die Zielkonfiguration verwendet werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird eine maximale translatorische Geschwindigkeit v_max des autonom fahrenden Fahrzeuges, eine maximale translatorische Beschleunigung a_max des autonom fahrenden Fahrzeuges und eine maximale rotatorische Geschwindigkeit ω_max des autonom fahrenden Fahrzeuges berücksichtigt. Weiterhin ist es möglich, Hardwarebeschränkungen, beispielsweise der an der Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges angebrachten Räder, zu berücksichtigen.
Der zurückgelegte Weg zwischen aufeinanderfolgenden Konfigurationen der simulierten bzw. Simulationsbahn C kann wie folgt angegeben werden:
Demzufolge ergeben sich die Stellwerte an der Konfiguration k zu:
Als Ergebnis erhält man somit für das autonom fahrende Fahrzeug AFF die Stellgrößen: (v ^ s / 0ω ^ s / 0) .
Anschließend wird eine Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen durch eine Steuervorrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges im Schritt S5 angesteuert. Auf diese Weise werden die fahrdynamischen Eigenschaften des autonom fahrenden Fahrzeuges zur Steuerung seiner Bewegung mitberücksichtigt und ausgeschöpft. Das in 1 dargestellte Steuerverfahren erlaubt ein schnelles und genaues Abfahren einer Trajektorie bzw. Bahn, wobei die Fahrdynamik des autonom fahrenden Fahrzeuges berücksichtigt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, gleiche Bahnen mit unterschiedlichen autonom fahrenden Fahrzeugen abzufahren. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren für Bahnen eingesetzt werden, die während der Laufzeit konstant sind oder die sich während der Laufzeit verändern bzw. modifiziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für das Abfahren von Bahnen als auch für das Abfahren von sogenannten Trajektorien. Sind neben den bahnbeschreibenden Informationen auch noch Informationen gegeben, die Aufschluss über die maximal möglichen Geschwindigkeiten der jeweiligen Bahnkonfiguration geben, spricht man nicht mehr von einer Bahn, sondern von einer Trajektorie. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Bahn bzw. Trajektorie möglichst schnell abgefahren. Die damit erreichte Zeitersparnis gegenüber einem langsameren Abfahren einer Bahn erhöht den Durchsatz und ermöglicht es dem autonom fahrenden Fahrzeug weitere Funktionen wahrzunehmen. Dies wiederum kann einen geringen Instandhaltungsaufwand zur Folge haben.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine vorgegebene Bahn möglichst genau abzufahren. Bei Transportfunktionen im Bereich der Lagerlogistik müssen beispielsweise entsprechende Bodenmarkierungen am Boden angebracht sein, damit Bereiche sichtbar werden, in denen sich das autonom fahrende Fahrzeug aufhalten darf. Um Platz und damit Lagerkosten zu sparen, dürfen derartige Bereiche nicht zu groß ausgelegt sein, wobei sie allerdings jenen Raum kennzeichnen müssen, den das Fahrzeug beim Abfahren der Bahn überfährt bzw. überstreicht.
Bei flächenfüllenden Aufgaben ermöglicht ein exaktes Abfahren der Bahn, dass alle gewünschten Flächen tatsächlich durch das autonom fahrende Fahrzeug abgefahren werden. Dies ist beispielsweise bei Reinigungsaufgaben, insbesondere zur Gebäudereinigung, von Bedeutung. Werden hier Bahnen bzw. Trajektorien nicht korrekt bzw. innerhalb einer vorgegebenen Toleranz durch das autonom fahrende Fahrzeug abgefahren, wird die Reinigungsaufgabe nicht zufriedenstellend erledigt. Bahntreues Abfahren einer vorgegebenen Bahn führt zu einer vollständigen Reinigung der Fläche bzw. des Bodens. Weiterhin führt ein bahntreues Abfahren der Bahn zu geringen Reinigungszeiten und senkt den Verbrauch von Reinigungsmitteln.
5 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen autonom fahrenden Fahrzeuges AFF. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das autonom fahrende Fahrzeug AFF eine Steuerung bzw. eine Steuervorrichtung 1 auf, die eine Antriebseinrichtung 2 des autonom fahrenden Fahrzeuges entsprechend berechneter Stellgrößen ansteuert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF zwei Räder R angebracht. Weiterhin weist das autonom fahrende Fahrzeug AFF bei dem dargestellten Beispiel einen Datenspeicher 3 zum Speichern einer vorgegebenen Bahn auf. Darüber hinaus kann das autonom fahrende Fahrzeug AFF bei dem dargestellten Beispiel eine Schnittstelle 4 zur Eingabe von Bahnen aufweisen. Die Schnittstelle 4 kann eine Eingabeschnittstelle zur manuellen Eingabe einer vorgegebenen Bahn aufweisen. Weiterhin kann die Schnittstelle eine Datenschnittstelle bzw. Funkschnittstelle sein, die über eine drahtlose Verbindung eine vorgegebene Bahn empfängt. Die in 5 dargestellte Steuervorrichtung führt im Wesentlichen das in 1 dargestellte Verfahren zum Steuern einer Bewegung des autonom fahrenden Fahrzeuges durch entsprechende Berechnungsschritte aus. Bei einer möglichen Ausführungsform weist das autonom fahrende Fahrzeug AFF Sensoren 5 zur Ermittlung einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF auf. Beispielsweise können die Sensoren Bodenmarkierungen, die an einem zu befahrenden Boden angebracht sind, optisch erfassen. Die Steuervorrichtung 1 bestimmt zunächst ausgehend von der momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges eine nächstliegende Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Bahn, welche sie beispielsweise aus dem Datenspeicher 3 ausliest. Weiterhin berechnet die Steuervorrichtung eine Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet. Anschließend berechnet die Steuervorrichtung maximal zulässige Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug zum Abfahren der Simulationsbahn. Anschießend steuert die Steuervorrichtung die Antriebseinrichtung 2 des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen an.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern der Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges AFF, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist, können Bahnen, die durch eine Menge von Konfigurationen beschrieben werden, durch das autonom fahrende Fahrzeug AFF schnellstmöglich und bahngetreu abgefahren werden. Schnellstmöglich bedeutet hierbei, dass die jeweilige Bahn mithilfe der ermittelten Stellgrößen so schnell abgefahren wird, wie es das autonom fahrende Fahrzeug aufgrund seiner Stellgrößenbeschränkungen erlaubt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug AFF unter Berücksichtigung der Fahrzeugdynamik direkt ermittelt werden können. Zum Erreichen einer gegebenen Zielkonfiguration bei einer gegebenen AFF-Position können die erlaubten Stellwerte unmittelbar angegeben werden. Dabei ist eine aufwendige Suche über alle Stellgrößen nicht erforderlich.
Da sich die Stellgrößen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt aus der Zielkonfiguration ableiten lassen, kann diese Zielkonfiguration durch das autonom fahrende Fahrzeug AFF exakt angefahren werden. Dabei ist ein Positionsfehler bzw. eine Abweichung aufgrund eines diskretisierten Suchraumes nicht vorhanden.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Geschwindigkeiten des autonom fahrenden Fahrzeuges AFF beim Abfahren einer vorgegebenen Bahn vorausschauend angepasst werden. Die Bahn wird somit durch das autonom fahrende Fahrzeug nicht verlassen und ein bahntreues Abfahren der Bahn ist gegeben.
Für die Verbindung von Bahnkonfigurationen und AFF-Konfigurationen wird eine Bahn ermittelt. Der Bahnverlauf ist dabei über Parameter veränderbar. Diese Parameter können einmalig bestimmt bzw. während der Laufzeit derart berechnet werden, dass die Bahn möglichst bahntreu abgefahren wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es nicht auf eine bestimmte Reglereinrichtung festgelegt ist, sondern beliebige Regler anwendungsabhängig verwendet werden können.
Durch die Verwendung eines Reglers können Stellgrößen ermittelt werden, um eine AFF-Konfiguration oder eine beliebige andere Zielkonfiguration zu regeln. Dabei können beispielsweise auch weit entfernte Ziele ohne Vorhandensein einer Bahn angefahren werden. Die zurückgelegte Bahn wird dabei von den Reglerparametern bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist fahrzeugunabhängig einsetzbar und kann auf jedem autonom fahrenden Fahrzeug eingesetzt werden. Bei dem autonom fahrenden Fahrzeug kann es sich um einen Fahrzeugroboter oder dergleichen handeln. Weiterhin kann das autonom fahrende Fahrzeug ein Fahrzeug sein, das sich auf einer Ebene mit zwei Dimensionen bewegt. Beispielsweise kann das autonom fahrende Fahrzeug ein Gebäudereinigungsroboter oder ein Transportroboter sein. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das autonom fahrende Fahrzeug ein Fahrzeug, welches sich in einem dreidimensionalen Raum bewegt, beispielsweise ein Flugzeug. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das autonom fahrende Fahrzeug ein autonom fahrendes Wasserfahrzeug.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist, mit den folgenden Schritten: (a) Bestimmen ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) einer nächstliegenden Konfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Bahn; (b) Berechnen einer Simulationsbahn, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet; (c) Berechnen von maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) zum Abfahren der Simulationsbahn; und (d) Ansteuern einer Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verglichen wird, um festzustellen, ob das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) die Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Konfiguration eine Position und eine Orientierung des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) im Raum angibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei eine momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) mittels Sensoren erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) durch Sensoren anhand von Bodenmarkierungen erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stellgrößen eine translatorische oder rotatorische Geschwindigkeit des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stellgrößen eine translatorische oder rotatorische Beschleunigung des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) in Echtzeit berechnet werden.
Steuervorrichtung zum Steuern einer Berechnung eines autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entlang einer vorgegebenen Bahn, die eine Folge von Konfigurationen aufweist, wobei die Steuervorrichtung ausgehend von einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) eine nächstliegende Bahnkonfiguration der zu befahrenden vorgegebenen Trajektorie bestimmt und eine Simulationsbahn berechnet, welche die momentane Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) mit einer Zielkonfiguration der vorgegebenen Bahn verbindet, wobei die Steuervorrichtung anschließend die maximal zulässigen Stellgrößen für das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) zum Abfahren der Simulationsbahn berechnet und eine Antriebseinrichtung des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) entsprechend den berechneten maximal zulässigen Stellgrößen ansteuert.
Autonom fahrendes Fahrzeug (AFF) mit einer Steuervorrichtung nach Anspruch 9 und mit einer Antriebseinrichtung, welche entsprechend der maximal zulässigen Stellgrößen, welche von der Steuervorrichtung ausgegeben werden, angesteuert wird.
Autonom fahrendes Fahrzeug (AFF) nach Anspruch 10, wobei das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) Sensoren zur Erfassung einer momentanen Konfiguration des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) aufweist.
Autonom fahrendes Fahrzeug (AFF) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die vorgegebene abzufahrende Bahn aus einem Datenspeicher des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) ausgelesen wird oder über eine Schnittstelle des autonom fahrenden Fahrzeuges (AFF) eingegeben wird.
Autonom fahrendes Fahrzeug (AFF) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) ein fahrerloses Transportfahrzeug, insbesondere ein Transportfahrzeug der Lagerlogistik, ist.
Autonom fahrendes Fahrzeug (AFF) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, wobei das autonom fahrende Fahrzeug (AFF) ein Servicefahrzeug, insbesondere ein Servicefahrzeug zur Gebäudereinigung, ist.