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Einleitung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet von sich autonom fortbewegenden Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Roboter mit einer verbesserten Steuerung zur Navigation und/oder Hinderniserkennung.
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Stand der Technik und Nachteile
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Aus dem Stand der Technik sind sich autonom zu Lande fortbewegende Maschinen hinlänglich bekannt. Derartige Maschinen, nachfolgend Roboter genannt, weisen Mittel zur Fortbewegung auf, die typischerweise als Räder, Raupen oder Beine ausgebildet sind.
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Solche, zumeist als Spielzeug Verwendung findende Roboter sind z. B. in den Druckschriften
DE 2004 016 345 A1 ,
US 5,423,708 ,
US 2,827,735 ,
US 4,629,440 ,
US 4,662,465 ,
US 3,331,463 ,
US 6,488,560 B2 ,
US 6,681,150 ,
US 5,127,484 ,
US 4,865,575 sowie
US 3,621,356 offenbart.
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Um sich fortbewegenden Robotern eine autonome Bewegung zu ermöglichen, benötigen diese eine entsprechende Steuerung. Die Steuerung ist typischerweise so gestaltet, dass sie von einem oder mehreren Sensoren bereitgestellte Signale („Reize”) aufnimmt, verstärkt und auswertet, um den Antrieb der Fortbewegungsmittel wie insbesondere Beine oder Räder situationsabhängig anzusteuern. So kann beispielsweise ein Sensor an der Vorderseite eines solchen Roboters dazu dienen, ein Hindernis zu erkennen und die Beine so anzusteuern, dass diesem Hindernis ausgewichen wird. Beispiele für solche Sensoren sind Lichtsensoren, Reflexlichtschranken, Ultraschallsensoren, bildgebende Sensoren, Berührungssensoren, Temperatursensoren oder Geräuschsensoren.
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Bekannt sind einfache, mit Lichtsensoren ausgestattete und analog gesteuerte Roboter, die ihre Fortbewegung aufgrund der auf sie einwirkenden Lichtverhältnisse ändern können. Die Druckschrift
US 4,865,575 offenbart ein einmotoriges Spielzeuggefährt, welches im Wege des Anstrahlens zweier Fotodetektoren mittels eines farbigen Lichtes auf einer vorgegebenen Bahn gesteuert wird. Eine autonome Steuerung des Fahrzeugs oder gar ein Lenken desselben ist mit dieser Steuerung jedoch nicht möglich. In der Druckschrift
US 3,621,356 ist eine andere Steuerung für ein einen Motor umfassendes Spielzeuggefährt vorgeschlagen, welche sich ebenfalls zweier lichtempfindlicher Sensoren bedient, um das Gefährt mittels Licht fernsteuerbar zu machen. Ein einmal gewählter Betriebsmodus kann dabei auch nach abschalten des Lichtes aufrecht erhalten werden. Eine autonome Steuerung des Fahrzeugs oder gar ein Lenken desselben ist jedoch auch mit dieser Steuerung nicht möglich.
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Sofern Steuerungen über mindestens zwei Sensoren sowie zwei unabhängig betreibbare Motoren verfügen, welche bevorzugt einen so genannten Differenzialantrieb erlauben, kann sich der Roboter beispielsweise auf Lichtquellen zubewegen, wenn jeweils ein Motor umso schneller angetrieben wird, je größer der Lichteinfall des ihm zugeordneten Sensors ist. In Folge wird ein solcher Roboter bei starker, einen maximalen Schwellwert übersteigender Beleuchtung jedoch immer geradeaus fahren und bei schwacher Beleuchtung zum Stillstand kommen oder rückwärts fahren. Soll Hindernissen ausgewichen werden, muss der Roboter mit vorzugsweise zusätzlichen Sensoren ausgestattet werden, beispielsweise mit Reflexlichtschranken, welche Infrarotlicht aussenden und das an Hindernissen reflektierte Licht aufnehmen, wofür in der Regel aufwändigere Schaltungen benutzt werden.
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Bei all diesen Schaltungen wird zunächst mindestens ein Signal je Sensor generiert. Erst im Zuge einer Weiterverarbeitung wird gegebenenfalls eine Kombination von mehreren Signalen zur Steuerung des Roboters herangezogen.
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Bekannt sind aus dem Stand der Technik auch Steuerungen digitaler Art. Diese sind optional vom Benutzer über Schnittstellen programmierbar, um das „Verhalten” des Roboters beeinflussen zu können.
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Nachteilig an derartigen Steuerungen sind die – insbesondere im Hinblick auf Spielzeuge – hohen Kosten, sowie die Notwendigkeit von Peripheriegeräten (PC, Smartphone), um ggf. eine Programmierung durchführen zu können. Nachteilig ist auch, dass zur Programmierung entsprechende Kenntnisse notwendig sind, die manche Zielgruppen (Kinder, technisch nicht versierte Erwachsene) sich anzueignen nicht willens oder fähig sind.
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Herkömmliche analoge Steuerungen für derartige Roboter sind zwar zu geringeren Kosten herstellbar; sie bieten jedoch nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten der Nutzung von Sensorsignalen und der Beeinflussbarkeit des Verhaltens des Roboters durch den Benutzer. Somit lassen sie das Interesse an einer Beschäftigung mit dem Roboter frühzeitig erlahmen.
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In der
US-Patentschrift 4,160,488 wird ein komplexes digitales Verfahren für einen pfadfolgenden Roboter offenbart, wobei im ersten Schritt der Signalverarbeitung sowohl die Summe wie auch die Differenz von zwei Sensorsignalen gebildet wird. Ein Differenzsignal wird jedoch umso schwächer, je weiter sich die Sensorsignalwerte vom idealen Arbeitspunkt entfernen. Das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Sensoren liegt z. B. zwischen 0 und 5 V. Bei schwacher Beleuchtung generieren die beiden Sensoren entsprechend schwache Signale von z. B. nur 0,1 und 0,2 V. Somit ergibt sich trotz des großen Verhältnisses der Sensorsignale von 1:2 eine Differenz von nur 0,1 V, welche leicht im allgemeinen Signalrauschen untergeht. Ein analoges Problem tritt auch bei zu starker Beleuchtung auf.
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Die Patentanmeldung
EP 0564661 beschreibt einen Mikroroboter mit wenigstens zwei Sensoren, welche überlappende Erfassungsbereiche aufweisen. Die Ausgangssignale der Sensoren werden hierbei getrennt voneinander mit Hilfe einer Mikroprozessorsteuerung und einem entsprechenden Programm verarbeitet. Auch hier kann die Umwelterfassung nur innerhalb eines stark eingeschränkten Arbeitsbereiches der Sensoren zuverlässig funktionieren.
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Die
US Patentschrift 6,681,150 beschreibt einen Insektenroboter mit zwei Motoren, einem Mikroprozessor und mehreren Sensoren, zur Simulation eines insektenähnlichen Verhaltens. Das Verhalten wird dabei durch sehr aufwändige Softwareprozeduren generiert. Auch hier werden die Sensorsignale einzeln verarbeitet, was die bereits erläuterten Nachteile mit sich bringt.
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Aufgabe der Erfindung und Lösung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte Steuerung für einen sich selbstständig fortbewegenden Roboter bereitzustellen, welche zur Ansteuerung des Antriebs Signale von Sensoren aufnimmt und verarbeitet, wobei vorzugsweise die Art der Verarbeitung von einem Benutzer möglichst vielfältig beeinflussbar ist, und wobei die Steuerung zu geringen Kosten herstellbar ist.
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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Kollisionsgefahr detektierende Steuerung für den mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren umfassenden Antrieb eines mobilen Roboters. Erfindungsgemäß umfasst die Steuerung eine Mehrzahl von Sensoren, welche Umwelteinflüsse detektieren, und mindestens ein Verstärkerelement mit jeweils mindestens einem Eingang und einem Ausgang, welches jedem der mindestens zwei Motoren zugeordnet und an den es bevorzugt angeschlossen ist. Dabei sind eine Anzahl n von Sensoren, mindestens jedoch zwei Sensoren, mit unterschiedlichen Erfassungsbereichen zu einer Sensorgruppe mit maximal n – 1 gemeinsamen Ausgangssignalen zusammengefasst, welche unmittelbar oder mittelbar als Eingangssignale für den Eingang des jeweiligen Verstärkerelements dienen. Durch diese Zusammenfassung der Sensoren zu einer Gruppe werden nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt die Signale der einzelnen Sensoren der Steuerung zu Verfügung gestellt. Die ggf. mehreren gemeinsamen Ausgangssignale einer Sensorgruppe stellen vielmehr eines bzw. mehrere „relative” Signale der Einzelsensoren dar. Im einfachsten Fall umfasst eine Gruppe n = zwei Sensoren mit einem gemeinsamen Ausgangssignal. Im allgemeinen Fall umfasst eine Gruppe für jedes Ausgangssignal zwei „Untergruppen” von Sensoren, wobei eine Untergruppe auch mehr als einen Sensor umfassen kann, und wobei sich eine Beeinflussung der einen Untergruppe z. B. positiv und eine entsprechende Beeinflussung der anderen Untergruppe negativ auf das entsprechende Ausgangssignal der Sensorgruppe auswirkt. Werden beispielsweise drei Sensoren zu einer Gruppe zusammengefasst, so gibt es zwei mögliche Ausgangssignale: Ein erstes Ausgangssignal wird bereitgestellt, indem eine erste Untergruppe den ersten, und eine zweite Untergruppe den zweiten und den dritten Sensor enthält. Ein zweites Ausgangssignal wird bereitgestellt, indem eine erste Untergruppe den ersten und den zweiten, und eine zweite Untergruppe lediglich den dritten Sensor enthält. Bei mehr als drei Sensoren in einer Gruppe sind entsprechend mehr Ausgangssignale möglich, wobei je Ausgangssignal immer nur genau zwei Untergruppen zu bilden sind.
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Eine solche Steuerung ist zu geringen Kosten herstellbar, weil sie im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Steuerungen vergleichbarer Flexibilität mit einer geringen Anzahl von zudem kostengünstigen Bauelementen auskommt, die sich optional auch einzeln austauschen lassen.
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Vorzugsweise umfasst der Antrieb genau zwei Motoren, sodass ein Richtungswechsel des Roboters in Form eines Differenzialantriebs ermöglicht wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl n der zu einer Sensorgruppe zusammengefassten Sensoren gleich 2, so dass aus dieser Sensorgruppe genau ein gemeinsames Ausgangssignal erhalten wird. Die „Untergruppen” enthalten demnach jeweils nur einen Sensor. Bei Verwendung von mehr als zwei Sensoren je Gruppe sind aber auch mehrere Ausgangssignale (bei n Sensoren maximal n – 1 Signale) denkbar, wie oben dargelegt.
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Mithilfe dieser Sensorgruppen ist es möglich, unabhängig von der absoluten Stärke des zu registrierenden Umwelteinflusses sensibel auf Differenzen in der Umgebung zu reagieren. Ein mit solchen Sensorgruppen ausgestatteter mobiler Roboter wird damit befähigt, entsprechend den Umwelteinflüssen zu navigieren, beispielsweise zuverlässig ausreichend kontraststarken Linien zu folgen und unterschiedliche Arten von Hindernissen zu erkennen, ohne aktiv Licht, Ultraschall oder ähnliches aussenden zu müssen.
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Die erfindungsgemäße Nutzung der Sensoren in Gruppen ermöglicht, eine entsprechende Steuerschaltung vorausgesetzt, eine große Bandbreite an Fähigkeiten und Verhaltensweisen eines mobilen Roboters.
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Die Steuerschaltung umfasst mindestens ein Verstärkerelement, bevorzugt jedoch mindestens ein Verstärkerelement je Motor. Zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors beispielsweise werden maximal zwei Verstärkerelemente verwendet, wobei je ein Output eines Verstärkerelements mit einem der beiden Motoranschlüsse verbunden ist. Als Verstärkerelemente können beispielsweise Transistoren, logische Bauelemente, Operationsverstärker (OPs), Motortreiber oder Kombinationen davon herangezogen werden. OPs bieten den Vorteil einer sehr hohen und nahezu linearen Spannungsverstärkung, sowie die Möglichkeit zahlreicher Beschaltungsvarianten.
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Sie besitzen bekanntermaßen je einen negativen und einen positiven Eingang, sowie einen Ausgang. Das am Ausgang gebildete Signal entspricht der verstärkten Differenz der beiden Eingangssignale. Die Einstellung der Verstärkung ist durch Wahl einer entsprechenden negativen Rückkopplung der OPs nach dem Stand der Technik möglich. Somit kann entweder ein bedächtiges Reagieren des Roboters auf äußere Reize, oder aber ein sprunghaftes, digitales Verhalten hervorgerufen werden, was z. B. bei maximaler Verstärkung ohne jegliche Rückkopplung erreicht wird. Dabei können die Motoren nur die Zustände Vorwärts, Rückwärts und Stillstand einnehmen, woraus sich bei einem Differenzialantrieb mit zwei Motoren die fünf möglichen Zustände Vorwärts, Rückwärts, Stillstand, Linksrotation und Rechtsrotation, sowie optional vier weitere Zustände Linkskurve vorwärts, Rechtskurve vorwärts, Linkskurve rückwärts und Rechtskurve rückwärts ergeben. Durch eine Beschaltung der OPs als Schmitt-Trigger kann optional eine Hysterese integriert werden, um ein unkontrolliertes Wechseln der Zustände und unerwünschte Schwingungen zu unterdrücken.
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Mit Hilfe einer solchen Steuerung zeigt der Roboter ein unmittelbares und reaktives Verhalten auf die Umwelt und wird sich in exakt identischen Situationen immer gleich verhalten. Ist es gewünscht, dass auch zeitlich zurückliegende Umwelteinflüsse und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Einflüsse auf das Verhalten des Roboters einwirken, so können durch die Integration von kapazitiven und/oder induktiven Elementen (bevorzugt jedoch Kondensatoren) Tief- und Hochpassglieder sowie Integrier- und Differenzier-Glieder realisiert werden. Diese Beschaltungsvarianten sind für OPs wiederum aus dem Stand der Technik bekannt. Das Verhalten eines auf diese Weise gesteuerten Roboters setzt sich demzufolge aus der Summe dreier Einflüsse zusammen, nämlich den relativen durch die Sensoren erfassten Umwelteinflüssen, der Änderungsgeschwindigkeit der relativen Umwelteinflüsse, sowie den über eine gewisse Zeitspanne aufsummierten relativen Umwelteinflüssen.
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Neben der Möglichkeit, die Ausgangssignale von Sensorgruppen auf unterschiedliche Arten parallel zu verarbeiten und den Motoren eines Roboters zuzuführen, bietet es sich vorzugsweise an, eine Vernetzung der Verstärkerelemente vorzunehmen, ähnlich der Struktur von künstlichen neuronalen Netzen. Die Verbindungen werden so mit Hilfe von Widerständen und/oder Kondensatoren vorgenommen, dass das Ausgangssignal eines Verstärkerelementes auf einen Eingang eines anderen Verstärkerelementes Einfluss nimmt. Damit lassen sich zum Beispiel Ringkopplungen in die Steuerung integrieren, welche wiederkehrende Abläufe in das Verhalten des Roboters einfließen lassen können. Das generierte Verhalten einer solchen Schaltung kann bereits mit nur vier Sensoren und vier Verstärkerelementen eine Komplexität und Unvorhersehbarkeit erreichen, welche mit der von einfachen Lebewesen vergleichbar ist.
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Eine weitere Möglichkeit, die relativen Signale der Sensorgruppen zu verarbeiten, sind digitale Schaltungen, die vorzugsweise mit Mikroprozessoren ausgeführt werden, um das Verhalten der Steuerung variieren zu können. Zur Ansteuerung der Motoren sind in der Regel jedoch zusätzlich Verstärkerelemente vonnöten, welche die Ausgangssignale der digitalen Schaltung verstärken.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Sensoren einer Sensorgruppe zur Bereitstellung eines gemeinsamen Ausgangssignals in Reihenschaltung. Ein Spannungsteiler ist eine Anwendung der Reihenschaltung von Widerständen. Bei Verwendung von zwei Widerständen besitzt er einen Abgriff (Abzweig) an der Verbindungsstelle und erlaubt eine Teilung der Gesamtspannung im Verhältnis der beiden Widerstände, sofern kein Strom an der Verbindungsstelle entnommen wird. Andernfalls ist der Innenwiderstand zu berücksichtigen, der gleich der Parallelschaltung der beiden Widerstände plus dem (meist zu vernachlässigenden) Widerstand der Versorgungsspannung ist.
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In der vorliegend beschriebenen Anwendung der Robotersteuerung werden anstelle von konstanten Widerständen die Sensoren einer Sensorgruppe verwendet, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit von der zu erfassenden Größe verändern. Das Ausgangsignal einer Reihenschaltung von zwei Sensoren ist eine Spannung, die einem Relativwert der aufgenommenen Umwelteinflüsse innerhalb der den Sensoren entsprechenden Erfassungsbereichen entspricht. Werden mehr als zwei Sensoren zu einer Sensorgruppe zusammengefasst, so ergibt sich eine Reihenschaltung von zwei Untergruppen von Sensoren. Innerhalb dieser Untergruppen können mehrere Sensoren entweder wiederum in Reihe oder aber parallel zusammengeschaltet werden.
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Die Reihenschaltung in Form eines Spannungsteilers bietet den Vorteil, mindestens zwei Sensoren mit je zwei Anschlüssen zu kombinieren, um variable Einflüsse bzw. Schwankungen, wie sie sich zum Beispiel aufgrund sich ändernder Beleuchtungsverhältnisse ergeben, und die auf mehrere der Sensoren einwirken, nicht in das gemeinsame Sensorsignal einfließen zu lassen. Diese Vorteile sind aus der Messtechnik bekannt und finden bei der Verwendung von Messbrücken Anwendung. Ein Nachteil hingegen ist der Verlust der „absoluten” Sensorinformationen, wie sie üblicherweise zur Robotersteuerung herangezogen werden. Diese sind jedoch für die meisten Aufgaben mobiler Roboter nicht erforderlich und wirken sich zumeist sogar störend auf eine sensorbasierte Navigation aus.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens einer der Sensoren als ein lichtempfindlicher Sensor ausgeführt. Lichtempfindliche Sensoren (Fotosensoren) eignen sich im Besonderen für die Umwelterfassung mobiler Roboter, da sie klein, kostengünstig und einfach auszuwerten sind, und daher problemlos auch mehrfach an kleinen Robotern angebracht werden können.
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Zur Hindernisdetektion wird zudem üblicherweise Infrarotlicht mit Hilfe von IR-LEDs ausgesendet, deren an Hindernissen reflektiertes Licht von den entsprechenden Fotosensoren detektiert wird. Bei solchen Reflexionslichtschranken muss das Hindernis eine ausreichend große bzw. stark reflektierende Fläche aufweisen, sodass genügend Licht vom Sensor erfasst werden kann. Je größer die reflektierende Fläche ist, desto weiter kann das zu detektierende Objekt vom Roboter entfernt sein. In der Regel handelt es sich dabei aber nur um wenige Millimeter oder Zentimeter.
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In der erfindungsgemäßen Anwendung jedoch funktioniert die Hinderniserkennung ohne ein aktives Aussenden von Licht. Eine Voraussetzung dafür ist, dass die Sensoren in geeigneter Form von der direkten Bestrahlung mit Leuchtmitteln, die sich in der Regel oberhalb des Roboters befinden, abgeschirmt sind. Zudem muss eine der drei nachfolgenden Bedingungen erfüllt sein:
- 1) Die Hindernisse sind heller oder dunkler als der Untergrund und entsprechend groß, sodass sie einen relevanten Teil des Erfassungsbereichs der Sensoren abdecken.
- 2) Die Hindernisse und der Roboter selbst sind so gestaltet, dass sie einen relevanten Schatten (mindestens eine Beleuchtung vorausgesetzt) auf den Untergrund werfen, der von den Sensoren detektiert werden kann.
- 3) Der Erfassungsbereich des Sensors wird in der Art eingeschränkt, dass der Lichteinfall auf den Sensor spätestens bei Kollision des Roboters mit einem Hindernis in einem für eine Hinderniserkennung ausreichenden Umfang unterdrückt wird.
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Einige Grundfunktionen von mit Hilfe von Lichtsensoren gesteuerten mobilen Robotern sind das Folgen von Lichtquellen, hellen oder dunklen Gegenständen oder einer am Untergrund angebrachten, ausreichend kontraststarken Linie. Des Weiteren ist es unter Verwendung von mindestens zwei Sensorgruppen in einer geeigneten Anordnung möglich, nicht nur beispielsweise die Seiten „rechts” und „links”, sondern auch frontale und seitliche Einflüsse zu differenzieren. Da sich das Verhältnis der frontalen Beleuchtung zur seitlichen Beleuchtung mit dem Abstand des Roboters zu einer Lichtquelle verändert, ist es möglich, einen bestimmten Abstand zu bewegten Lichtquellen oder hellen bzw. dunklen Gegenständen zu halten und auf diese ausgerichtet zu bleiben, selbst wenn sich diese Objekte in Bewegung befinden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Roboter mindestens eine Infrarotlichtquelle, deren Licht von mindestens einem der Sensoren desselben und/oder eines weiteren Roboters detektierbar ist. Sind die Lichtsensoren im Besonderen für den infraroten Bereich ausgelegt, so ist es möglich, einen solchen Roboter mit einer Infrarotlicht aussendenden Quelle gezielt zu navigieren. Befindet sich diese Quelle auf einem weiteren Roboter, so ist beispielsweise ein gegenseitiges Folgen von Robotern möglich. Wird die Infrarotlichtquelle entsprechend der Motoren des Roboters in Abhängigkeit der Sensorinformationen angesteuert, so ist eine einfache Art von Kommunikation mehrerer Roboter zu erreichen, die sich aus einer Kombination aus der relativen Bewegung zueinander und der ausgesendeten Signale ergibt. Auf diese Weise sind Szenarien ähnlich eines „Tanzes” generierbar.
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Nach einer anderen Ausführungsform sind mindestens einer, bevorzugt jedoch alle Sensoren einer Sensorgruppe an unterschiedlichen Stellen der Peripherie des Roboters angeordnet und weisen zum Abschirmen der Sensoren vor der direkten Bestrahlung eine Abschirmung auf, welche bei Kontakt dieser Peripherie mit einem Hindernis den Lichteinfall auf den jeweiligen Sensor um wenigstens 25%, bevorzugt um wenigstens 50% und besonders bevorzugt um wenigstens 75% reduziert.
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Mit der Abschirmung wird erreicht, dass Hindernisse, die sich in ihrer Helligkeit nicht von der Umgebung abheben und die auf dem Untergrund keinen Schatten werfen, spätestens bei einer Kollision mit dem an der Peripherie des Roboters angeordneten Sensor detektiert werden können. Die Reduktion des Lichteinfalls hängt im Besonderen von der Ausrichtung der Oberfläche des Hindernisses bezogen auf die Abschirmung ab.
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Bevorzugt besteht die Abschirmung aus einem zylindrischen Röhrchen, das über den Sensor geschoben wird und horizontal ausgerichtet ist. Nach einer weiteren Ausführungsform befindet sich der Sensor entsprechend in einer horizontal ausgerichteten Bohrung an der Peripherie des Roboters. Die Höhe des Sensors muss sich verständlicherweise in Höhe der zu erkennenden Hindernisse befinden, welche bevorzugt von vertikal verlaufenden Flächen umgeben sind, so dass bei Kontakt einer Abschirmung mit einer dieser Flächen ein Lichteinfall von oben wie auch von unten unterbunden wird. Je nach Anzahl und Winkelversatz der Sensoren am Umfang des Roboters wird auch ein seitlicher Lichteinfall bei mindestens einem dieser Sensoren mehr oder weniger stark reduziert. Bevorzugt tritt bereits vor einer Kollision eine für die Hinderniserkennung ausreichend hohe Reduktion des Lichteinfalls auf.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Steuern eines mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren umfassenden Antriebs eines mobilen Roboters. Dieses umfasst erfindungsgemäß die folgenden Schritte, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die oben stehenden Erläuterungen betreffend die Kollisionsgefahr detektierende Steuerung verwiesen wird:
- – Bereitstellen eines gemeinsamen Ausgangssignals durch Kombination der Anschlüsse mindestens zweier, Umwelteinflüsse detektierender Sensoren. Diese Kombination wird bevorzugt durch eine Reihenschaltung von Sensoren mit je zwei Anschlüssen erreicht, wobei die Sensoren einen Spannungsteiler bilden und ein relatives Ausgangssignal in Form einer Spannung am Abgriff zu Verfügung stellen.
- – Verarbeiten und/oder Verstärken dieses gemeinsamen Ausgangssignals oder einer Differenz aus diesem gemeinsamen Ausgangssignal und einem Schwellwert mittels jeweils mindestens eines ein- oder mehrstufigen Verstärkerelements, das jedem der mindestens zwei Motoren zugeordnet ist. Als Verstärkerelemente kommen z. B. Transistoren, logische Bauteile, Operationsverstärker, spezielle Motortreiber oder eine Kombination daraus in Frage. Das gemeinsame Ausgangssignal der Sensoren kann auch mithilfe von digitalen Schaltungen, wie z. B. einer Mikroprozessorschaltung, weiterverarbeitet werden, wobei vorzugsweise der damit generierte Output dem eigentlichen Verstärkerelement zugeführt wird.
- – Ansteuern des jeweiligen Motors mittels des verarbeiteten und/oder verstärkten gemeinsamen Ausgangssignals bzw. der verstärkten Differenz aus diesem gemeinsamen Ausgangssignal und dem Schwellwert. Die Ausführung der Ansteuerung hängt von der Art der verwendeten Verstärkerelemente, sowie von der Art der jeweiligen Motoren ab. Im einfachsten Fall handelt es sich um mindestens zwei oder mehr Gleichstrommotoren mit je zwei Anschlüssen. Dabei können entweder beide Anschlüsse oder nur ein Anschluss von Verstärkerelementen angesteuert werden.
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Auf diese Weise wird eine Navigation und/oder Hinderniserkennung des Roboters aufgrund von relativen Sensorsignalen ermöglicht. Die Navigation mit Hilfe von relativen Sensorsignalen ist eine kostengünstige und zuverlässige Möglichkeit, um die Einwirkung störender Umwelteinflüsse, wie z. B. ungeeigneter (zu heller, zu dunkler oder wechselnder) Beleuchtungsverhältnisse, bereits während der Erfassung zu verhindern, ohne diese Störungen anschließend mit verhältnismäßig aufwändigen Schaltungen herausfiltern zu müssen. Durch die Bereitstellung der relevanten Informationen über die Umwelt können einfache mobile Roboter so sensibel auf entsprechende Umwelteinflüsse reagieren, dass eine Hinderniserkennung ohne aufwändigere Hilfsmittel wie z. B. Reflexlichtschranken, Ultraschallsensoren oder bildgebende Verfahren ermöglicht ist.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch einen autonom agierenden Roboter, welcher eine Steuerung wie vorstehend ausgeführt umfasst. Der Körper kann vorzugsweise als entsprechend geformte Leiterplatte ausgestaltet sein und die erfindungsgemäße Steuerung tragen.
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Besonders bevorzugt ist der Roboter als Bausatz ausgestaltet. Demnach sind die einzelnen Komponenten mit einfachen Hilfsmitteln zusammensetzbar. Demensprechend werden zur Befestigung vorzugsweise Löt-, Clip- oder einfache Schraubverbindungen verwendet. Elektronische Komponenten wie z. B. Widerstände und Kondensatoren sind mithilfe entsprechender Steckplätze variabel an der Steuerschaltung anbringbar, um eine einfache und direkte Beeinflussung der Verhaltensweise des Roboters zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Steuerung für den Antrieb eines sich autonom fortbewegenden Roboters bereit, welche zur Ansteuerung des Antriebs Signale von Sensoren aufnimmt und verarbeitet. Optional ist die Art der Verarbeitung von einem Benutzer möglichst vielfältig beeinflussbar. Außerdem ist die Steuerung zu geringen Kosten herstellbar.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter nach einer ersten, einfachen Ausführungsform mit Transistoren.
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2 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit einer Sensorgruppe, sowie zwei Operationsverstärkern.
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3 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit zwei Sensorgruppen und vier Operationsverstärkern.
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4 zeigt eine variabel bestückbare Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter.
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In der 1 ist eine Steuerung für einen mobilen Roboter nach einer ersten, einfachen Ausführungsform dargestellt.
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Die gezeigte Schaltung dient der Veranschaulichung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Sensorkombination. V+ und V– bezeichnen die Versorgungsspannung. Die Sensoren S1 und S2 sind vorzugsweise Infrarottransistoren, welche sensibel sowohl auf Tageslicht und besonders bevorzugt auf Infrarotlicht reagieren, indem sie ihren Widerstand bei zunehmender Lichtintensität verringern. Sensor S1 kann beispielsweise am Roboter (nicht gezeigt) vorne rechts, und Sensor S2 vorne links angebracht sein.
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Das Ausgangssignal (Output) O der Sensorgruppe, die aus einer Reihenschaltung der Sensoren S1 und S2 besteht, dient als gemeinsames Eingangssignal (Input) für zwei Transistoren T1 und T2, die jeweils einen Motor M1 und M2 (entsprechend einem Differenzialantrieb) ansteuern. Die Schwellspannungen, ab der die Transistoren T1, T2 typischerweise durchzuschalten beginnen, ergeben sich bei einer Basis-Emitter-Spannung der Transistoren von 0,7 V aus V– + 0,7 V für T2 bzw. V+ – 0,7 V für T1. Zwischen diesen beiden Schwellspannungen sind beide Motoren M1, M2, abhängig vom Widerstandswert R, in ihrer Geschwindigkeit regelbar.
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Bei gleicher Lichteinstrahlung der Sensoren S1, S2 werden die Motoren M1, M2 gleich schnell angesteuert, wodurch sich der Roboter gerade aus bewegt. Bei einer geringen Differenz der Einstrahlung ergibt sich, unabhängig von der absoluten Helligkeit der Umgebung, eine Geschwindigkeitsdifferenz der Motoren M1, M2, und der Roboter fährt eine Kurve in Richtung der stärkeren Einstrahlung.
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Der Nachteil dieser einfachen Umsetzung ist, dass die Motoren M1, M2 nur in eine Richtung (z. B. vorwärts) drehen können und demnach ein mit der gezeigten Schaltung gesteuerter Roboter nicht auf der Stelle drehen oder reversieren (rückwärts fahren) kann.
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In der 2 ist eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit Operationsverstärkern und kapazitiven Rückkopplungen gezeigt.
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Die in dieser Schaltung verwendeten Widerstände R1, R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler und generieren zwei konstante Schwellspannungen, die vorzugsweise etwas über bzw. entsprechend unter 0 V liegen (z. B. +1 V und –1 V). Die beiden Operationsverstärker OP1, OP2 verstärken die Differenz von Ausgangssignal O der Sensorgruppe und dieser Schwellspannungen. Bei gleicher Lichteinstrahlung der Sensoren S1, S2 wird O zu Null. In diesem statischen Fall drehen beide Motoren M1, M2 gleichermaßen in eine Richtung, vorzugsweise vorwärts. Je nach Gleichspannungsverstärkung, die bekannterweise durch die Widerstandsverhältnisse R6 zu R4 sowie R7 zu R5 bestimmt ist, variieren die Motorgeschwindigkeiten, sobald O von Null abweicht. Überschreitet O eine der beiden Schwellspannungen, so wechselt der entsprechende Motor M1 bzw. M2 seine Drehrichtung. Bei entsprechend hoher Helligkeitsdifferenz kann der Roboter somit auch im Stand drehen, um beispielsweise die Kollision mit einem nahen Hindernis zu verhindern (jeweils nicht gezeigt). Mithilfe der Kondensatoren C1 und C2 in den Rückkopplungszweigen ergeben sich aktive Tiefpassfilter 1. Ordnung, wodurch sprunghafte Drehzahl- und somit Geschwindigkeitsänderungen vermieden werden. Im statischen Fall ist ein Rückwärtsfahren des Roboters nicht möglich, da immer nur eine der Schwellspannungen überschritten werden kann. Durch die gegenseitige Beeinflussung der für die linke und rechte Seite vorgesehenen Verstärkerelemente (Ringkopplung) über R8 und C4 bzw. R9 und C3 ist aufgrund der Hochpasswirkung von C3 bzw. C4 jedoch bei einem schnellen Wechsel der Helligkeitsdifferenz zu erreichen, dass beide Motoren M1, M2 für eine bestimmte Zeit rückwärts laufen, um den Roboter z. B. vor einem sich nähernden Hindernisses zurückweichen zu lassen.
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Die 3 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit zwei Sensorgruppen und vier Operationsverstärkern.
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Diese Steuerung basiert auf den Sensorsignalen zweier überkreuzt angeordneter Sensorgruppen mit den Ausgangssignalen O1 der Sensoren S1, S4 bzw. O2 der Sensoren S2, S3. Die Sensoren S1 und S2 sind auf dem Roboter (nicht gezeigt) bevorzugt nach vorne links und vorne rechts ausgerichtet; auf einem Roboter in Form einer Spinne befänden sie sich vorzugsweise am Ende der Taster. In Gegensatz dazu sind die Sensoren S3 und S4 bevorzugt zur Seite hin, jedoch noch im vorderen Bereich des Roboters ausgerichtet; auf dem Spinnenroboter befänden sie sich vorzugsweise am Ende der beiden vordersten Beine.
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Aufgrund der vier Sensoren S1 bis S4 wird, im Falle ihrer engeren sowie überlappenden Anordnung im vorderen Bereich eines Roboters, zum einen der Erfassungsbereich vergrößert, zum anderen erhält der Roboter auch Informationen darüber, ob es sich tendenziell um frontale oder eher seitliche Umwelteinflüsse handelt. Registriert der Roboter beispielsweise eine Lichtquelle und steuert auf diese zu, so werden die frontal ausgerichteten Sensoren S1 und S2 im Vergleich zu den eher seitlich ausgerichteten Sensoren S3 und S4 zunehmend stärker bestrahlt, was einen Anstieg der Sensorsignalwerte O1 und O2 zur Folge hat. Überschreiten O1 und O2 den oberen der beiden Spannungsschwellwerte, die wiederum aus den Widerständen R1, R2 und R3 gebildet werden, so kann der Roboter zum Stillstand kommen, bevor er mit der Lichtquelle kollidiert. Dies befähigt den Roboter, einen gewissen Abstand und/oder eine gewisse Orientierung zu hellen oder auch dunklen Gegenständen (nicht gezeigt) zu halten, auch wenn sich diese in Bewegung befinden. Entsprechend ist der Roboter auch über Lichtquellen (bevorzugt Infrarotlichtquellen) steuerbar.
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Aufgrund der Symmetrie der Schaltung beschränkt sich die folgende Erläuterung auf die Ansteuerung des linken Motors M1. Die Drehzahl von M1 wird durch die Spannungsdifferenz der Outputs (ohne Bezugszeichen) von den Operationsverstärkern OP1 und OP3 bestimmt. OP1 verstärkt das Sensorsignal O1, bezogen auf die höhere der beiden Schwellwertspannungen. OP3 reagiert hingegen aufgrund von C1 und C3 auf zeitliche Änderungen des Sensorsignals O2. Aufgrund einer fehlenden ohmschen Rückkopplung vom Output auf den negativen Input wird der Output von OP3 bei konstantem Wert O1 mehr oder weniger schnell entweder auf V+ ansteigen oder auf V– abfallen, je nachdem, ob der über R8 eingekoppelte Output von OP1 unter oder über der unteren Schwellwertspannung liegt. Damit wird erreicht, dass sich ein entsprechend angesteuerter Roboter, sollte er aufgrund der äußeren Einflüsse zum Stillstand kommen, nach einer gewissen Zeit wieder in Bewegung setzt. Umgekehrt wird der Output von OP3 über C5 auf OP1 rückgekoppelt, was zu einer kurzzeitigen zusätzlichen Beschleunigung des Motors M1 führt. Der Roboter erhält durch diese Art der Ringkopplung ein äußerst dynamisches und spontan erscheinendes Verhalten, das sowohl schnelle wie auch langsame Änderungen der Geschwindigkeit beinhaltet.
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Auf eine gegenseitige Beeinflussung der linken und rechten Verstärkerelemente, wie sie in einfacherer Weise aus der Beschreibung der 2 hervorgeht, wird aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
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In der 4 ist eine variabel bestückbare Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter gezeigt.
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Diese Schaltung ist mit 24 Platzhaltern Z1 bis Z24 ausgestattet, welche bevorzugt als Steckplätze für Elemente wie Widerstände und/oder Kondensatoren (jeweils nicht eingezeichnet) ausgeführt sind. Ein Platzhalter kann mit einzelnen Elementen oder auch mit einem Widerstand und einem Kondensator in Parallel- oder Serienschaltung belegt werden.
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Besonders bevorzugt entspricht die Anordnung der Bauelemente auf dem Schaltplan auch der physikalischen Anordnung auf einer Leiterplatte und somit am (nicht gezeigten) Roboter, um dem Benutzer eine schnelle und intuitive Änderung der Beschaltung mithilfe des Schaltplanes zu ermöglichen.
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Die Elemente an den Stellen Z1 bis Z8 bestimmen die direkte Einflussname der Ausgangssignale O1 und O2 auf die Eingänge der Operationsverstärker OP1 bis OP4. Werden im Gegensatz zu der in der 3 gezeigten Ausführungsform nicht die Platzhalter Z1 bis Z4 belegt, sondern die Platzhalter Z5 bis Z8, bei denen die Signale O1 und O2 vertauscht an die Operationsverstärker weitergegeben werden, so resultiert daraus ein Verhalten, bei dem tendenziell Lichtquellen gemieden und dunkle Areale bevorzugt werden. Durch eine Kombination dieser Ausführungsformen ist es auch möglich, die entsprechenden Verhaltensweisen zeitlich versetzt hervorzurufen.
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Die Elemente an den Stellen Z9 bis Z24 decken alle sechzehn möglichen Kombinationen ab, um die vier Operationsverstärker OP1 bis OP4 miteinander zu koppeln oder rückzukoppeln, wobei sich die Kopplungsvarianten Z9 bis Z16 nur auf einen Motor M1 oder M2 beziehen (entsprechend der Ausführungsform nach 3) und die Varianten Z17 bis Z24 auf die Steuerung des jeweils anderen Motors M2 bzw. M1 Einfluss nehmen. Die Widerstände R4 bis R7 haben die Aufgabe, den Stromfluss bei mehrfacher Kopplung durch Kondensatoren (nicht eingezeichnet) zu begrenzen und potentielle Schwingungen zu unterdrücken.
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Bezugszeichenliste
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- n
- Anzahl
- S, Sn
- Sensor, Sensor n
- T1, T2
- Transistor
- M1, M2
- Motor
- O, On
- Ausgangssignal, Ausgangssignal n
- R, Rn
- Widerstand, Widerstand n
- GND
- Erdung
- OPn
- Operationsverstärker n
- Cn
- Kondensator n
- Zn
- Steckplatz n
