DE102013104578B3 - Improved control for autonomously moving robots - Google Patents

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DE102013104578B3 DE201310104578 DE102013104578A DE102013104578B3 DE 102013104578 B3 DE102013104578 B3 DE 102013104578B3 DE 201310104578 DE201310104578 DE 201310104578 DE 102013104578 A DE102013104578 A DE 102013104578A DE 102013104578 B3 DE102013104578 B3 DE 102013104578B3
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    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0231Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means
    • G05D1/0242Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using non-visible light signals, e.g. IR or UV signals
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Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet von sich autonom fortbewegenden Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Steuerung für einen solchen Roboter. Eine Kollisionsgefahr detektierende Steuerung für den mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren (M1, M2) umfassenden Antrieb eines mobilen Roboters umfasst eine Mehrzahl Umwelteinflüsse detektierender Sensoren (S1, S2, ...) und mindestens ein Verstärkerelement (T1, T2, OP1, OP2, ...), welches jedem der mindestens zwei Motoren (M1, M2) zugeordnet ist, wobei eine Anzahl (n) von Sensoren (S1, S2, ...) mit unterschiedlichen Erfassungsbereichen zu einer Sensorgruppe mit maximal (n) – 1 gemeinsamen Ausgangssignalen (O, O1, O2) zusammengefasst sind, welche unmittelbar oder mittelbar als Eingangssignale für das jeweilige Verstärkerelement (T1, T2, OP1, OP2, ...) dienen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern eines mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren (M1, M2) umfassenden Antriebs eines mobilen Roboters.The invention relates to the field of autonomously moving machines. In particular, the invention relates to an improved controller for such a robot. A collision risk-detecting control for the at least two independently operable motors (M1, M2) comprising drive of a mobile robot comprises a plurality of sensors (S1, S2, ...) that detect environmental influences and at least one amplifier element (T1, T2, OP1, OP2,. ..), which is assigned to each of the at least two motors (M1, M2), with a number (n) of sensors (S1, S2, ...) with different detection areas to form a sensor group with a maximum of (n) - 1 common output signals (O, O1, O2) are summarized, which serve directly or indirectly as input signals for the respective amplifier element (T1, T2, OP1, OP2, ...). The invention also relates to a method for controlling a drive of a mobile robot comprising at least two independently operable motors (M1, M2).

Description

  • Einleitungintroduction
  • 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.The invention relates to the field of autonomously moving machines. In particular, the invention relates to a robot with improved control for navigation and / or obstacle detection.
  • Stand der Technik und NachteileState of the art and disadvantages
  • 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.From the state of the art, autonomous land moving machines are well known. Such machines, hereinafter referred to as robots, have means for locomotion, which are typically designed as wheels, tracks or legs.
  • 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.In order to enable autonomous movement of moving robots, they require appropriate control. The controller is typically designed to receive, amplify and evaluate signals provided by one or more sensors to drive the propulsion of the means of locomotion such as, in particular, legs or wheels in response to the situation. For example, a sensor on the front of such a robot can be used to detect an obstacle and to steer the legs so that this obstacle is dodged. Examples of such sensors are light sensors, reflected light barriers, ultrasonic sensors, imaging sensors, touch sensors, temperature sensors or noise sensors.
  • 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.Known are simple, equipped with light sensors and analog controlled robots that can change their locomotion due to the light conditions acting on them. The publication US 4,865,575 discloses a single-motor toy vehicle which is controlled by illuminating two photodetectors by means of a colored light on a predetermined path. An autonomous control of the vehicle or even a steering of the same is not possible with this control. In the publication US 3,621,356 For example, another control is suggested for a toy vehicle comprising an engine, which also uses two photosensitive sensors to remotely control the vehicle by means of light. Once selected operating mode can be maintained even after switching off the light. However, an autonomous control of the vehicle or even a steering of the same is not possible with this control.
  • 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.If controllers have at least two sensors and two independently operable motors, which preferably allow a so-called differential drive, the robot can, for example, move towards light sources, if one motor in each case is driven faster the greater the incidence of light of the sensor assigned to it. As a result, however, such a robot will always drive straight ahead in the event of strong lighting exceeding a maximum threshold, and will come to a standstill in low-light lighting or drive backwards. If obstacles are to be avoided, the robot must be equipped with preferably additional sensors, for example, with reflex light sensors, which emit infrared light and absorb the light reflected at obstacles, for which more complex circuits are usually used.
  • 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.In all of these circuits, at least one signal per sensor is initially generated. Only in the course of further processing, if appropriate, a combination of a plurality of signals is used to control the robot.
  • 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.Controllers of a digital nature are also known from the prior art. These are optionally programmable by the user via interfaces in order to be able to influence the "behavior" of the robot.
  • 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.A disadvantage of such controls are - especially with regard to toys - high costs, as well as the need for peripheral devices (PC, smartphone) to possibly perform a programming can. It is also disadvantageous that appropriate knowledge is necessary for programming that some target groups (children, non-technical adults) are not willing or able to acquire.
  • 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.Conventional analog controllers for such robots can indeed be produced at lower costs; However, they offer only very limited possibilities for the use of sensor signals and the influenceability of the behavior of the robot by the user. Thus, they let the interest in employment with the robot prematurely lapse.
  • 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.In the U.S. Patent 4,160,488 discloses a complex digital method for a path following robot, wherein in the first step of the signal processing both the sum and the difference of two sensor signals is formed. However, a difference signal becomes weaker, depending the sensor signal values continue to move away from the ideal operating point. The output signal of the photosensitive sensors is z. B. between 0 and 5 V. In low illumination, the two sensors generate correspondingly weak signals from z. B. only 0.1 and 0.2 V. Thus, despite the large ratio of the sensor signals of 1: 2 results in a difference of only 0.1 V, which easily goes into the general signal noise. An analogous problem also occurs with too much illumination.
  • 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.The patent application EP 0564661 describes a microrobot with at least two sensors having overlapping detection areas. The output signals of the sensors are processed separately from each other with the help of a microprocessor control and a corresponding program. Here, too, the environmental survey can only function reliably within a severely restricted working range of the sensors.
  • 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.The US Pat. No. 6,681,150 describes an insect robot with two motors, a microprocessor and multiple sensors simulating insect-like behavior. The behavior is generated by very complex software procedures. Again, the sensor signals are processed individually, which brings the already explained disadvantages.
  • Aufgabe der Erfindung und LösungObject of the invention and solution
  • 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.An object of the present invention is to provide an improved control for a self-propelled robot, which receives and processes signals from sensors for driving the drive, wherein preferably the type of processing can be influenced by a user in as many ways as possible and the control is too small Cost is producible.
  • Beschreibungdescription
  • 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.The invention relates to a collision risk detecting control for the at least two independently operable motors comprehensive drive a mobile robot. According to the invention, the controller comprises a plurality of sensors, which detect environmental influences, and at least one amplifier element, each having at least one input and one output, which is assigned to each of the at least two motors and to which it is preferably connected. In this case, a number n of sensors, but at least two sensors, with different detection ranges are combined to form a sensor group having a maximum of n-1 common output signals which serve directly or indirectly as input signals for the input of the respective amplifier element. As a result of this combination of the sensors into a group, the signals of the individual sensors of the control system are not made available as known from the prior art. The possibly several common output signals of a sensor group represent rather one or more "relative" signals of the individual sensors. In the simplest case, a group comprises n = two sensors with a common output signal. In the general case, a group for each output signal comprises two "subgroups" of sensors, wherein a subgroup may also comprise more than one sensor, and wherein an influence of the one subgroup z. B. positive and a corresponding influence on the other subgroup negative effect on the corresponding output signal of the sensor group. For example, if three sensors are combined into one group, there are two possible output signals: A first output signal is provided by a first subgroup containing the first and a second subgroup the second and the third sensor. A second output signal is provided by having a first subset containing the first and second subsets and a second subset only the third sensor. With more than three sensors in a group, correspondingly more output signals are possible, whereby only exactly two subgroups are to be formed per output signal.
  • 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.Such a control can be produced at low cost, because it manages compared to the known from the prior art controls comparable flexibility with a small number of cost-effective components, which can optionally be replaced individually.
  • Vorzugsweise umfasst der Antrieb genau zwei Motoren, sodass ein Richtungswechsel des Roboters in Form eines Differenzialantriebs ermöglicht wird.Preferably, the drive comprises exactly two motors, so that a change of direction of the robot in the form of a differential drive is made possible.
  • 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.According to a preferred embodiment, the number n of the sensors combined into a sensor group is equal to 2, so that precisely one common output signal is obtained from this sensor group. The "subgroups" therefore each contain only one sensor. When using more than two sensors per group, however, a plurality of output signals (with n sensors a maximum of n-1 signals) are conceivable, as stated above.
  • 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.With the aid of these sensor groups, it is possible to react sensitively to differences in the environment, regardless of the absolute strength of the environmental influence to be registered. A mobile robot equipped with such sensor groups is thus enabled to navigate according to the environmental influences, for example reliably following sufficiently high-contrast lines and recognizing different types of obstacles without being active To send out light, ultrasound or something similar.
  • Die erfindungsgemäße Nutzung der Sensoren in Gruppen ermöglicht, eine entsprechende Steuerschaltung vorausgesetzt, eine große Bandbreite an Fähigkeiten und Verhaltensweisen eines mobilen Roboters.The use of the sensors in groups according to the invention, assuming a corresponding control circuit, allows a wide range of capabilities and behaviors of a mobile robot.
  • 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.The control circuit comprises at least one amplifier element, but preferably at least one amplifier element per motor. To drive a DC motor, for example, a maximum of two amplifier elements are used, wherein each one output of an amplifier element is connected to one of the two motor terminals. As amplifier elements, for example transistors, logic components, operational amplifiers (OPs), motor drivers or combinations thereof can be used. OPs offer the advantage of a very high and almost linear voltage gain, as well as the possibility of numerous circuit variants.
  • 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.They are known to have one negative and one positive input, as well as one output. The signal formed at the output corresponds to the amplified difference of the two input signals. The adjustment of the gain is possible by selecting a corresponding negative feedback of the OPs in the prior art. Thus, either a deliberate reaction of the robot to external stimuli, or a sudden, digital behavior can be caused, which z. B. is achieved at maximum gain without any feedback. The motors can only take the states forward, reverse and standstill, resulting in a differential drive with two motors, the five possible states forward, backward, stationary, left rotation and right rotation, and optionally four other states left turn forward, right turn forward, left turn backwards and Right turn backwards. By wiring the OPs as Schmitt triggers, an optional hysteresis can be integrated to suppress an uncontrolled change of states and unwanted vibrations.
  • 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.With the help of such a controller, the robot shows an immediate and reactive behavior on the environment and will always behave the same in exactly identical situations. If it is desired that environmental influences which are past in time and / or the rate of change of the influences act on the behavior of the robot, the integration of capacitive and / or inductive elements (but preferably capacitors) may result in low-pass and high-pass elements as well as integrating and differentiating elements. Be realized limbs. These wiring variants are again known from the prior art for OPs. The behavior of a robot controlled in this way is therefore composed of the sum of three influences, namely the relative environmental influences detected by the sensors, the rate of change of the relative environmental influences, and the relative environmental influences accumulated over a certain period of time.
  • 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.In addition to being able to process the output signals of sensor groups in parallel in different ways and to supply them to the motors of a robot, it is preferable to carry out a networking of the amplifier elements, similar to the structure of artificial neural networks. The connections are made by means of resistors and / or capacitors such that the output signal of one amplifier element influences an input of another amplifier element. This makes it possible, for example, to integrate ring couplings into the controller, which can incorporate recurrent processes into the behavior of the robot. The generated behavior of such a circuit can already achieve complexity and unpredictability with only four sensors and four amplifier elements, which is comparable to that of simple living beings.
  • 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.Another way to process the relative signals of the sensor groups are digital circuits, which are preferably carried out with microprocessors in order to be able to vary the behavior of the controller. To control the motors, however, additional amplifier elements are usually required, which amplify the output signals of the digital circuit.
  • 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.According to a preferred embodiment, the sensors of a sensor group for providing a common output signal are connected in series. A voltage divider is an application of the series connection of resistors. When using two resistors it has a tap (branch) at the junction and allows a division of the total voltage in the ratio of the two resistors, if no current is taken at the junction. Otherwise, the internal resistance must be taken into account, which is equal to the parallel connection of the two resistors plus the (usually negligible) resistance of the supply voltage.
  • 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.In the application of the robot control described here, instead of constant resistances, the sensors of a sensor group are used whose resistance values change as a function of the quantity to be detected. The output signal of a series connection of two sensors is a voltage which is a relative value of the recorded environmental influences within the corresponds to the sensors corresponding detection areas. If more than two sensors are combined to form one sensor group, this results in a series connection of two subgroups of sensors. Within these subgroups, multiple sensors can either be connected in series or in parallel.
  • 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.The series connection in the form of a voltage divider offers the advantage of combining at least two sensors with two terminals each, in order to avoid variable influences or fluctuations, for example due to changing lighting conditions, which act on a plurality of the sensors Include sensor signal. These advantages are known from measurement technology and are used when measuring bridges are used. A disadvantage, however, is the loss of "absolute" sensor information, as they are usually used for robot control. However, these are not required for most tasks of mobile robots and usually even interfere with sensor-based navigation.
  • 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.According to a particularly preferred embodiment, at least one of the sensors is designed as a photosensitive sensor. Photosensors are particularly suitable for the environmental detection of mobile robots, because they are small, inexpensive and easy to evaluate, and therefore can easily be attached to small robots multiple times.
  • 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.For obstacle detection, moreover, infrared light is usually emitted by means of IR LEDs whose light reflected from obstacles is detected by the corresponding photosensors. In the case of such reflection light barriers, the obstacle must have a sufficiently large or strongly reflecting surface, so that enough light can be detected by the sensor. The larger the reflecting surface, the further the object to be detected can be removed from the robot. As a rule, these are only a few millimeters or centimeters.
  • 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.
    In the application according to the invention, however, obstacle detection works without active emission of light. A prerequisite for this is that the sensors are adequately shielded from the direct irradiation with illuminants, which are usually located above the robot. In addition, one of the following three conditions must be met:
    • 1) The obstacles are lighter or darker than the background and correspondingly large so that they cover a relevant part of the detection range of the sensors.
    • 2) The obstacles and the robot itself are designed so that they throw a relevant shadow (assuming at least one illumination) on the ground, which can be detected by the sensors.
    • 3) The detection range of the sensor is limited in such a way that the incident light on the sensor is suppressed at the latest when the robot collides with an obstacle in an extent sufficient for obstacle detection.
  • 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.Some basic functions of mobile robots controlled by light sensors are the following of light sources, light or dark objects, or a sufficiently high-contrast line attached to the ground. Furthermore, by using at least two sensor groups in a suitable arrangement, it is possible to differentiate not only the sides "right" and "left", but also frontal and lateral influences. Since the ratio of the frontal illumination to the lateral illumination varies with the distance of the robot to a light source, it is possible to maintain and maintain a certain distance from moving light sources or bright or dark objects, even when these objects to be in motion.
  • 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.According to a further embodiment, the robot comprises at least one infrared light source whose light is detectable by at least one of the sensors thereof and / or another robot. If the light sensors are especially designed for the infrared range, it is possible to purposefully navigate such a robot with a source emitting infrared light. If this source is located on another robot, for example, a mutual following of robots is possible. If the infrared light source corresponding to the motors of the robot is controlled in dependence of the sensor information, a simple type of communication of a plurality of robots can be achieved, which results from a combination of the relative movement to each other and the emitted signals. In this way, scenarios similar to a "dance" can be generated.
  • 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.According to another embodiment, at least one, but preferably all sensors of a sensor group are arranged at different locations of the periphery of the robot and have to shield the sensors from the direct irradiation on a shield, which upon contact of this periphery with an obstacle, the light incident on the respective sensor reduced by at least 25%, preferably by at least 50% and more preferably by at least 75%.
  • 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. With the shield is achieved that obstacles that do not stand out in their brightness from the environment and do not cast shadows on the ground, can be detected at the latest in a collision with the arranged on the periphery of the robot sensor. The reduction of light incidence depends in particular on the orientation of the surface of the obstacle with respect to the shield.
  • 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.Preferably, the shield consists of a cylindrical tube which is slipped over the sensor and oriented horizontally. According to another embodiment, the sensor is correspondingly in a horizontally aligned bore at the periphery of the robot. The height of the sensor must understandably be in the amount of the obstacles to be detected, which are preferably surrounded by vertically extending surfaces, so that upon contact of a shield with one of these surfaces, a light from above and from below is prevented. Depending on the number and angular offset of the sensors on the circumference of the robot and a lateral light incidence is at least one of these sensors more or less greatly reduced. Preferably, even before a collision, a sufficiently high reduction in the incidence of light occurs for obstacle detection.
  • 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.
    The invention also relates to a method for controlling a drive of a mobile robot comprising at least two independently operable motors. This includes according to the invention the following steps, reference being made to avoid repetition to the above explanations regarding the collision danger detecting control:
    • - Providing a common output signal by combining the terminals of at least two, environmental influences detecting sensors. This combination is preferably achieved by a series connection of sensors with two terminals each, wherein the sensors form a voltage divider and provide a relative output signal in the form of a voltage at the tap available.
    • - Processing and / or amplifying this common output signal or a difference from this common output signal and a threshold value by means of at least one single or multi-stage amplifier element, which is assigned to each of the at least two motors. As amplifier elements z. As transistors, logic components, operational amplifiers, special motor driver or a combination thereof in question. The common output signal of the sensors can also by means of digital circuits, such as. As a microprocessor circuit, further processed, wherein preferably the thus generated output is supplied to the actual amplifier element.
    • - Controlling of the respective motor by means of the processed and / or amplified common output signal or the amplified difference from this common output signal and the threshold value. The design of the control depends on the type of amplifier elements used, as well as on the type of the respective motors. In the simplest case, these are at least two or more DC motors with two connections each. Either both connections or only one connection of amplifier elements can be controlled.
  • 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.In this way, navigation and / or obstacle detection of the robot is enabled due to relative sensor signals. The navigation by means of relative sensor signals is a cost-effective and reliable way to reduce the influence of disturbing environmental influences such. B. inappropriate (too light, too dark or changing) lighting conditions to prevent already during detection, without having to filter out these disturbances then with relatively complex circuits. By providing the relevant information about the environment, simple mobile robots can react so sensitively to corresponding environmental influences that obstacle detection can be carried out without more complicated aids such B. retro-reflective sensors, ultrasonic sensors or imaging techniques is possible.
  • 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.Finally, the invention also relates to an autonomously operating robot, which comprises a controller as stated above. The body may preferably be designed as a correspondingly shaped printed circuit board and carry the control according to the invention.
  • 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.Particularly preferably, the robot is designed as a kit. Accordingly, the individual components can be assembled with simple aids. Demensprechend preferably solder, clip or simple screw connections are used for attachment. Electronic components such. B. Resistors and capacitors can be variably attached to the control circuit by means of appropriate slots to allow a simple and direct influence on the behavior of the robot.
  • 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.The present invention provides an improved controller for driving an autonomously advancing robot which receives and processes signals from sensors to drive the drive. Optionally, the type of processing can be influenced as widely as possible by a user. In addition, the control can be produced at low cost.
  • Figurenbeschreibung figure description
  • 1 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter nach einer ersten, einfachen Ausführungsform mit Transistoren. 1 shows a circuit for a control for a mobile robot according to a first, simple embodiment with transistors.
  • 2 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit einer Sensorgruppe, sowie zwei Operationsverstärkern. 2 shows a circuit for a controller for a mobile robot with a sensor group, as well as two operational amplifiers.
  • 3 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit zwei Sensorgruppen und vier Operationsverstärkern. 3 shows a circuit for a controller for a mobile robot with two sensor groups and four operational amplifiers.
  • 4 zeigt eine variabel bestückbare Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter. 4 shows a variably populated circuit for a controller for a mobile robot.
  • In der 1 ist eine Steuerung für einen mobilen Roboter nach einer ersten, einfachen Ausführungsform dargestellt.In the 1 a controller for a mobile robot according to a first, simple embodiment is shown.
  • 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.The circuit shown serves to illustrate the operation of the sensor combination according to the invention. V + and V- denote the supply voltage. The sensors S1 and S2 are preferably infrared transistors which sensitively react to both daylight and more preferably infrared light by decreasing their resistance with increasing light intensity. For example, sensor S1 may be attached to the front right of the robot (not shown) and the front left sensor S2.
  • 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.The output (output) O of the sensor group, which consists of a series connection of the sensors S1 and S2, serves as a common input signal (input) for two transistors T1 and T2, each of which drives a motor M1 and M2 (corresponding to a differential drive). The threshold voltages from which the transistors T1, T2 typically start to turn on, result in a base-emitter voltage of the transistors of 0.7 V of V- + 0.7 V for T2 and V + - 0.7 V for T1 , Between these two threshold voltages, both motors M1, M2, depending on the resistance value R, adjustable in their speed.
  • 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.With the same light irradiation of the sensors S1, S2, the motors M1, M2 are driven at the same speed, causing the robot to move straight out. With a small difference of the irradiation results, regardless of the absolute brightness of the environment, a speed difference of the motors M1, M2, and the robot makes a turn in the direction of the stronger irradiation.
  • 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.The disadvantage of this simple implementation is that the motors M1, M2 can only rotate in one direction (eg, forwards) and, accordingly, a robot controlled by the circuit shown can not rotate or reverse (drive backwards) in place.
  • In der 2 ist eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit Operationsverstärkern und kapazitiven Rückkopplungen gezeigt.In the 2 a circuit for a controller for a mobile robot with operational amplifiers and capacitive feedbacks is shown.
  • 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.The resistors R1, R2 and R3 used in this circuit form a voltage divider and generate two constant threshold voltages which are preferably slightly above and below 0 V, respectively (eg +1 V and -1 V). The two operational amplifiers OP1, OP2 amplify the difference between the output signal O of the sensor group and these threshold voltages. With the same light irradiation of the sensors S1, S2, O becomes zero. In this static case, both motors M1, M2 rotate equally in one direction, preferably forward. Depending on the DC voltage gain, which is known to be determined by the resistance ratios R6 to R4 and R7 to R5, the motor speeds vary as soon as O deviates from zero. If O exceeds one of the two threshold voltages, the corresponding motor M1 or M2 changes its direction of rotation. With a correspondingly high difference in brightness, the robot can therefore also rotate while stationary, for example in order to prevent the collision with a near obstacle (not shown in each case). By means of the capacitors C1 and C2 in the feedback branches, active low pass filters of the first order result, whereby sudden speed and thus speed changes are avoided. In the static case, a reversing of the robot is not possible because only one of the threshold voltages can be exceeded. Due to the mutual influencing of the provided for the left and right side amplifier elements (ring coupling) via R8 and C4 or R9 and C3 is due to the high-pass effect of C3 or C4, however, to achieve at a rapid change of the brightness difference that both motors M1, M2 run backwards for a certain time to the robot z. B. to let go back in front of an approaching obstacle.
  • Die 3 zeigt eine Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter mit zwei Sensorgruppen und vier Operationsverstärkern.The 3 shows a circuit for a controller for a mobile robot with two sensor groups and four operational amplifiers.
  • 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.This control is based on the sensor signals of two cross-arranged sensor groups with the output signals O1 of the sensors S1, S4 and O2 of the sensors S2, S3. The sensors S1 and S2 are preferably aligned on the robot (not shown) to the front left and front right; on a robot in the form of a spider They preferably at the end of the button. In contrast, the sensors S3 and S4 are preferably to the side, but still aligned in the front area of the robot; on the spider robot, they are preferably at the end of the two foremost legs.
  • 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.Due to the four sensors S1 to S4, in the case of their narrower and overlapping arrangement in the front area of a robot, on the one hand the detection area is increased, on the other hand the robot also receives information as to whether it tends to be frontal or rather lateral environmental influences. For example, if the robot registers and controls a light source, then the front-facing sensors S1 and S2 are increasingly irradiated in comparison with the more laterally oriented sensors S3 and S4, resulting in an increase in the sensor signal values O1 and O2. If O1 and O2 exceed the upper of the two voltage threshold values, which in turn are formed by the resistors R1, R2 and R3, the robot can come to a standstill before it collides with the light source. This enables the robot to maintain some distance and / or orientation to light or dark objects (not shown), even when in motion. Accordingly, the robot is also controllable via light sources (preferably infrared light sources).
  • 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.Due to the symmetry of the circuit, the following explanation is limited to the driving of the left motor M1. The speed of M1 is determined by the voltage difference of the outputs (not numbered) from the operational amplifiers OP1 and OP3. OP1 amplifies the sensor signal O1, based on the higher of the two threshold voltages. By contrast, OP3 reacts to changes in the time of the sensor signal O2 due to C1 and C3. Due to a lack of ohmic feedback from the output to the negative input, the output of OP3 at constant value O1 will increase more or less rapidly to either V + or V-, depending on whether the output of OP1 injected via R8 is below or above the lower one Threshold voltage is. This ensures that a suitably controlled robot, if it comes to a standstill due to the external influences, starts moving again after a certain time. Conversely, the output of OP3 is fed back to OP1 via C5, resulting in a brief additional acceleration of motor M1. This type of ring coupling gives the robot an extremely dynamic and spontaneous behavior that includes both fast and slow speed changes.
  • 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.On a mutual influence of the left and right amplifier elements, as they are more easily understood from the description of 2 is apparent, is omitted for reasons of clarity.
  • In der 4 ist eine variabel bestückbare Schaltung für eine Steuerung für einen mobilen Roboter gezeigt.In the 4 A variable placement circuit for a controller for a mobile robot is shown.
  • 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.This circuit is equipped with 24 placeholders Z1 to Z24, which are preferably designed as slots for elements such as resistors and / or capacitors (each not shown). A placeholder can be occupied with individual elements or with a resistor and a capacitor in parallel or series connection.
  • 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.The arrangement of the components on the circuit diagram also particularly preferably corresponds to the physical arrangement on a printed circuit board and thus on the robot (not shown) in order to enable the user to change the wiring quickly and intuitively with the aid of the circuit diagram.
  • 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.The elements at positions Z1 to Z8 determine the direct influence names of the output signals O1 and O2 on the inputs of the operational amplifiers OP1 to OP4. In contrast to those in the 3 embodiment shown does not occupy the placeholder Z1 to Z4, but the placeholder Z5 to Z8, in which the signals O1 and O2 reversed are passed to the operational amplifier, this results in a behavior in which tend to avoid light sources and dark areas are preferred. By combining these embodiments, it is also possible to evoke the corresponding behaviors with a time offset.
  • 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.The elements at locations Z9 through Z24 cover all sixteen possible combinations in order to couple or feed back the four operational amplifiers OP1 through OP4, with the coupling variants Z9 through Z16 relating only to a motor M1 or M2 (according to the embodiment of FIG 3 ) and the variants Z17 to Z24 influence the control of the respective other motor M2 or M1. The resistors R4 to R7 have the task to limit the current flow with multiple coupling by capacitors (not shown) and to suppress potential vibrations.
  • BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
    • nn
      Anzahlnumber
      S, SnS, Sn
      Sensor, Sensor nSensor, sensor n
      T1, T2T1, T2
      Transistortransistor
      M1, M2M1, M2
      Motorengine
      O, OnO, on
      Ausgangssignal, Ausgangssignal nOutput signal, output signal n
      R, RnR, Rn
      Widerstand, Widerstand nResistance, resistance n
      GNDGND
      Erdunggrounding
      OPnOP n
      Operationsverstärker nOperational amplifier n
      Cncn
      Kondensator nCapacitor n
      ZnZn
      Steckplatz nSlot n

Claims (10)

  1. Kollisionsgefahr detektierende Steuerung für den mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren (M1, M2) umfassenden Antrieb eines mobilen Roboters, die Steuerung umfassend eine Mehrzahl Umwelteinflüsse detektierender Sensoren (S1, S2, ...) und ein Verstärkerelement (T1, T2, OP1, OP2, ...) je Motor (M1, M2), welches dem jeweiligen Motor (M1; M2) zugeordnet ist, wobei eine Anzahl (n) von Sensoren (S1, S2, ...) mit unterschiedlichen Erfassungsbereichen zu einer Sensorgruppe mit maximal (n) – 1 gemeinsamen Ausgangssignalen (O, O1, O2) zusammengefasst sind, welche unmittelbar oder mittelbar als Eingangssignale für das jeweilige Verstärkerelement (T1, T2, OP1, OP2, ...) dienen.Collision hazard detecting control for the at least two independently operable motors (M1, M2) comprehensive drive a mobile robot, the controller comprising a plurality of environmental influences detecting sensors (S1, S2, ...) and an amplifier element (T1, T2, OP1, OP2, ...) per motor (M1, M2), which is assigned to the respective motor (M1, M2), wherein a number (n) of sensors (S1, S2, ...) with different detection ranges to a sensor group with maximum ( n) - 1 common output signals (O, O1, O2) are combined, which serve directly or indirectly as input signals for the respective amplifier element (T1, T2, OP1, OP2, ...).
  2. Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb genau zwei Motoren (M1, M2) umfasst.Control according to claim 1, wherein the drive comprises exactly two motors (M1, M2).
  3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl (n) der zu einer Sensorgruppe zusammengefassten Sensoren (S1, S2) gleich 2 ist, so dass genau ein gemeinsames Ausgangssignal (O, O1, O2) erhalten wird.Control according to claim 1 or 2, wherein the number (n) of the combined sensors to a sensor group (S1, S2) is equal to 2, so that exactly one common output signal (O, O1, O2) is obtained.
  4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Sensoren (S1, S2, ...) einer Gruppe zur Bereitstellung eines gemeinsamen Ausgangssignals (O, O1, O2) in Reihenschaltung befinden.Control according to one of claims 1 to 3, wherein the sensors (S1, S2, ...) of a group for providing a common output signal (O, O1, O2) are connected in series.
  5. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Sensoren (S1, S2, ...) ein lichtempfindlicher Sensor ist.Control according to one of the preceding claims, wherein at least one of the sensors (S1, S2, ...) is a photosensitive sensor.
  6. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Roboter mindestens eine Infrarotlichtquelle umfasst, deren Licht von mindestens einem der Sensoren (S1, S2, ...) desselben und/oder eines weiteren Roboters detektierbar ist.Controller according to one of the preceding claims, wherein the robot comprises at least one infrared light source, the light from at least one of the sensors (S1, S2, ...) thereof and / or another robot is detectable.
  7. Steuerung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Sensoren (S1, S2, ...) einer Sensorgruppe an unterschiedlichen Stellen der Peripherie des Roboters angeordnet sind und eine Abschirmung aufweisen, welche bei Kontakt dieser Peripherie mit einem Hindernis den Lichteinfall auf den jeweiligen Sensor (S1, S2, ...) um wenigstens 50% reduziert.Control according to one of claims 5 or 6, wherein the sensors (S1, S2, ...) of a sensor group are arranged at different locations of the periphery of the robot and have a shield, which upon contact of this periphery with an obstacle, the light incident on the respective Sensor (S1, S2, ...) reduced by at least 50%.
  8. Verfahren zum Steuern eines mindestens zwei unabhängig betreibbare Motoren (M1, M2) umfassenden Antriebs eines mobilen Roboters, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines gemeinsamen Ausgangssignals (O, O1, O2) durch Kombination der Anschlüsse mindestens zweier Umwelteinflüsse detektierender Sensoren (S1, S2, ...); – Verarbeiten und/oder Verstärken dieses gemeinsamen Ausgangssignals (O, O1, O2) oder einer Differenz aus diesem gemeinsamen Ausgangssignal (O, O1, O2) und einem Schwellwert mittels jeweils eines Verstärkerelements (T1, T2, OP1, OP2, ...) je Motor (M1, M2), das dem jeweiligen Motor (M1; M2) zugeordnet ist; – Ansteuern des jeweiligen Motors (M1, M2) mittels des verarbeiteten und/oder verstärkten gemeinsamen Ausgangssignals (O, O1, O2) bzw. der verstärkten Differenz aus diesem gemeinsamen Ausgangssignal (O, O1, O2) und dem Schwellwert; so dass eine Navigation und/oder Hinderniserkennung des Roboters aufgrund von relativen Sensorsignalen ermöglicht wird.Method for controlling a drive of a mobile robot comprising at least two independently operable motors (M1, M2), comprising the following steps: - Providing a common output signal (O, O1, O2) by combining the terminals of at least two environmental influences detecting sensors (S1, S2, ...); Processing and / or amplifying this common output signal (O, O1, O2) or a difference from this common output signal (O, O1, O2) and a threshold value by means of in each case one amplifier element (T1, T2, OP1, OP2,. each motor (M1, M2) associated with the respective motor (M1, M2); - Controlling of the respective motor (M1, M2) by means of the processed and / or amplified common output signal (O, O1, O2) or the amplified difference from this common output signal (O, O1, O2) and the threshold value; so that navigation and / or obstacle detection of the robot is enabled due to relative sensor signals.
  9. Autonom agierender Roboter, umfassend eine Steuerung gemäß Definition in einem der Ansprüche 1 bis 7.Autonomously operating robot comprising a controller as defined in any one of claims 1 to 7.
  10. Roboter nach Anspruch 9, wobei derselbe als Bausatz ausgeführt ist.A robot according to claim 9, wherein it is designed as a kit.
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