DE102014210277A1

DE102014210277A1 - Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung eines autonomen Fortbewegungsgeräts

Info

Publication number: DE102014210277A1
Application number: DE102014210277.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Koch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung eines autonomen Fortbewegungsgeräts, insbesondere eines autonomen Rasenmähers, mit zumindest einer Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) und mit zumindest einer Empfängereinheit (16a; 16b; 16c; 16d), die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) ausgesandte elektromagnetische Strahlung (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) zu empfangen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Empfängereinheit (16a; 16b; 16c; 16d) zumindest ein einzelnes Empfängerelement (24a; 24b; 24c; 24d) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d), die von der Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) aussendbar sind, zu empfangen.

Description

Stand der Technik
Aus DE 10 2007 023 157 A1 ist bereits eine Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung eines autonomen Fortbewegungsgeräts, insbesondere eines autonomen Rasenmähers, bekannt. Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung umfasst hierbei zumindest eine Strahlungsquelleneinheit und zumindest eine Empfängereinheit, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit ausgesandte elektromagnetische Strahlung zu empfangen. Die Empfängereinheit weist hierzu zwei Empfängerelemente auf, wobei eines der Empfängerelemente als Infrarotsensor zu einer Erfassung von Infrarotstrahlung und eines der Empfängerelemente als Lichtsensor zu einer Erfassung von sichtbarem Licht ausgebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung eines autonomen Fortbewegungsgeräts, insbesondere eines autonomen Rasenmähers, mit zumindest einer Strahlungsquelleneinheit und mit zumindest einer Empfängereinheit, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Lichtquelleneinheit ausgesandte elektromagnetische Strahlung zu empfangen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Empfängereinheit zumindest ein einzelnes Empfängerelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen, die von der Strahlungsquelleneinheit aussendbar sind, zu empfangen.
Unter einem „autonomen Fortbewegungsgerät“ soll hier insbesondere ein Gerät verstanden werden, das sich selbsttätig in einem Bereich und/oder in einer Umgebung fortbewegt, orientiert oder navigiert, insbesondere sich nach einem Anlernprozess selbsttätig in einem Bereich und/oder in einer Umgebung fortbewegt und/oder sich orientiert. Der Ausdruck „selbsttätig fortbewegen und/oder orientieren“ soll hier insbesondere eine Fortbewegung, eine Orientierung und/oder Navigation des Fortbewegungsgeräts, insbesondere nach einem Anlernprozess, ohne einen menschlichen Eingriff definieren. Vorzugsweise bewegt sich das autonome Fortbewegungsgerät nach einem von einem Bediener mit dem autonomen Fortbewegungsgerät durchgeführten Anlernprozess selbsttätig in einem Bereich und/oder in einer Umgebung fort bzw. orientiert sich selbsttätig in einem Bereich und/oder in einer Umgebung. Das Fortbewegungsgerät kann hierbei als autonomer Rasenmäher, als autonomer Staubsauger, als autonome Kehrmaschine, als autonomes Transportfahrzeug, als autonomes Fluggerät, als autonomes Agrargerät o. dgl. ausgebildet sein. Bevorzugt ist das autonome Fortbewegungsgerät als autonomer Rasenmäher ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, eine als Rasenfläche ausgebildete Arbeitsfläche und/oder eine als Rasenfläche ausgebildete Arbeitsumgebung abzufahren und/oder zu bearbeiten. Hierzu weist das autonome Fortbewegungsgerät besonders bevorzugt eine als Mähwerkeinheit ausgebildete Arbeitsflächenbearbeitungseinheit auf.
Der Ausdruck „Strahlungsquelleneinheit“ soll hier insbesondere eine Einheit definieren, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung auszusenden, insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1,5 mm. Insbesondere ist die Strahlungsquelleneinheit dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 300 nm, bevorzugt größer als 400 nm und besonders bevorzugt kleiner als 1,5 mm auszusenden. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelleneinheit dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 380 nm bis 1,4 mm auszusenden. Somit ist die Strahlungsquelleneinheit bevorzugt dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm), und/oder in Form von Infrarotstrahlung (780 nm bis 1,4 mm), insbesondere von naher Infrarotstrahlung (NIR), auszusenden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Strahlungsquelleneinheit dazu vorgesehen ist, zwei Signale als elektromagnetische Strahlungen in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm) auszusenden, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Element und/oder eine Einheit zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Element und/oder die Einheit diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllen/erfüllt und/oder ausführen/ausführt. Die Strahlungsquelleneinheit umfasst bevorzugt zu einer Aussendung der zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen zumindest ein Strahlungsquellenelement. Das Strahlungsquellenelement ist vorzugsweise als LED ausgebildet, insbesondere als Dual-Wellenlängen-LED. Bei einer Ausgestaltung des Strahlungsquellenelements als Dual-Wellenlängen-LED ist das Strahlungsquellenelement dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlungen in zwei Wellenlängen auszusenden, insbesondere mit geringem Offset, wie beispielsweise einem zeitlichen Offset oder einem Phasenversatz o. dgl. Zudem ist es auch denkbar, dass die zumindest zwei Strahlungsquellenelemente ein örtliches Offset relativ zueinander aufweisen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Überlagerung der elektromagnetischen Strahlungen ermöglicht werden, die vorteilhaft unabhängig von zusätzlicher Hardware, wie beispielsweise einem zusätzlichen Mischer o. dgl., ist. Die ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen sind hierbei vorzugsweise in einem gemeinsamen optischen Strahlengang aussendbar. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Strahlungsquellenelement eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist, mittels derer eine Aussendung von zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartiger elektromagnetischer Strahlungen ermöglichbar ist, wie beispielsweise infolge einer Farbdurchmischung mittels einer Dual-Wellenlängen-LED.
Zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung infolge eines Empfangens von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen liegt der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung die Erkenntnis zugrunde, dass die Intensität einer von einem Untergrund reflektierten Lichtstrahlung aus dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums in Abhängigkeit von einer Untergrundbeschaffenheit von der Intensität einer von demselben Untergrund reflektierten Infrarotstrahlung teilweise stark abweicht, insbesondere im „Red-Edge“. So ist beispielsweise einem Fachmann bereits bekannt, dass eine Reflektivität von chlorophyllhaltiger Vegetation im nahen Infrarotbereich höher (etwa drei- bis sechsmal höher) als im sichtbaren Lichtspektrum ist. Diese Eigenschaft unterscheidet Gras von vielen anderen Untergründen, die im Garten vorkommen können, wie beispielsweise Beton, Sand, Asphalt oder Erde. Somit ist vorzugsweise infolge eines Empfangens von ausgesandter und insbesondere von einem Untergrund reflektierter elektromagnetischer Strahlung eine Arbeitsflächenerkennung auf eine, einem Fachmann bereits bekannte Art und Weise ermöglichbar.
Das einzelne Empfängerelement der Empfängereinheit ist vorzugsweise als einzelne Diode, insbesondere als Fotodiode, ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Empfängerelement zu einer Erfassung von zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann vorteilhaft eine kompakte Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung realisiert werden. Zudem kann vorteilhaft infolge eines Empfangens von zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartiger elektromagnetischer Strahlungen mittels eines einzelnen Empfängerelements eine Beeinflussung durch Umwelteinflüsse, wie beispielsweise eine Verschmutzung einer Linse/eines Sensors, eine Temperaturänderung, eine Umgebungslichtänderung, eine Alterung o. dgl., auf empfangene und/oder ausgesandte elektromagnetische Strahlungen zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung möglichst gering gehalten werden, insbesondere senderseitig und empfängerseitig. Zudem kann vorteilhaft eine besonders robuste Reflektanzmessung mittels der erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung ermöglicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Strahlungsquelleneinheit zu einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen zumindest zwei Strahlungsquellenelemente umfasst. Bevorzugt sind die Strahlungsquellenelemente als LEDs ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Strahlungsquellenelemente eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweisen. Vorzugsweise ist zumindest eines der Strahlungsquellenelemente dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm), auszustrahlen. Zudem ist bevorzugt eines der Strahlungsquellenelemente dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotstrahlung (780 nm bis 1,4 mm), insbesondere von naher Infrarotstrahlung (NIR), auszusenden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die zumindest zwei Strahlungsquellenelemente dazu vorgesehen sind, elektromagnetische Strahlungen in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm) auszusenden, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Somit weist die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung besonders bevorzugt zumindest eine Strahlungsquelleneinheit, die zumindest zwei Strahlungsquellenelemente zu einer Aussendung von zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen umfasst, und zumindest eine Empfängereinheit auf, die zumindest ein einzelnes Empfängerelement umfasst, das dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen zu empfangen. Besonders bevorzugt sind die zwei Strahlungsquellenelemente getrennt voneinander ausgebildet. Hierbei weisen die zwei Strahlungsquellenelemente vorzugsweise einen minimalen Abstand zueinander auf, der insbesondere kleiner ist als 100 mm, bevorzugt kleiner ist als 10 mm und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,1 mm. Die Strahlungsquellenelemente sind vorzugsweise separat ansteuerbar ausgebildet. Somit ist insbesondere jedes einzelne Strahlungsquellenelement unabhängig mit Energie versorgbar. Besonders bevorzug sind die Strahlungsquellenelemente jeweils einzeln mit variablen Stromquellen verbunden, insbesondere mittels elektrischer Leitungen. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung kann vorteilhaft eine Relativmessung, insbesondere eine Relativmessung von Amplituden der elektromagnetischen Strahlungen, ermöglicht werden, um eine Fehlinterpretation von empfangenen elektromagnetischen Strahlungen vorteilhaft gering zu halten und insbesondere zumindest im Wesentlichen auszuschließen. Hierdurch kann besonders vorteilhaft eine zuverlässige Arbeitsflächenerkennung ermöglicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung zumindest eine Bündelungseinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, zumindest bei einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen die zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen in einem optischen Strahlengang zu bündeln, räumlich zu überlagern und/oder durchzumischen. Die Bündelungseinheit kann hierzu als Mischstabeinheit, als Lichtleitereinheit, als Linse oder als eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Einheit ausgebildet sein, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlungen zu bündeln, räumlich zu überlagern und/oder durchzumischen. Der Begriff „optischer Strahlengang“ soll hier insbesondere einen gezielten geometrischen Verlauf von elektromagnetischer Strahlung definieren. Somit werden beispielsweise die zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen durch eine einzelne Linse der Bündelungseinheit aus der Strahlungsquelleneinheit ausgesandt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung unabhängig von der Bündelungseinheit ausgebildet ist, insbesondere bei einer Anordnung der zumindest zwei Strahlungsquellenelemente mit einem geringen geometrischen Offset, wie beispielsweise mit einem maximalen Abstand der zumindest zwei Strahlungsquellenelemente relativ zueinander, der kleiner ist als 300 µm. Vorzugsweise weisen die elektromagnetischen Strahlungen somit zumindest einen gemeinsamen Austrittsbereich auf, bevor die ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen von einer Arbeitsfläche reflektiert werden. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann vorteilhaft eine kompakte Ausgestaltung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung erreicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen direkt der Empfängereinheit zuführbar ist. Insbesondere ist hierdurch ein Referenzsignal erzeugbar, wobei das Referenzsignal für beide Messungen in sichtbarem Licht und im Infrarotstrahlungsbereich anwendbar ist. Beispielsweise ist eine Vielzahl an Pulsen, wie beispielsweise 20 Pulse, an elektromagnetischer Strahlung in Form von rotem, sichtbarem Licht mit einer variablen Amplitude aussendbar. Die elektromagnetische Strahlung, die direkt der Empfängereinheit zuführbar ist, ist zu dem Zeitpunkt aussendbar, in dem die elektromagnetische Strahlung in Form von rotem, sichtbarem Licht eine Amplitude von 0 aufweist. Somit ist insbesondere das Referenzsignal und ein Messsignal 180° phasenversetzt. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Messsignal einen konstanten DC-Anteil (Offset) über die Messung aufweist. Zudem ist es auch denkbar, dass das Referenzsignal ebenfalls einen konstanten DC-Anteil (Offset) aufweist Hierbei ist beispielsweise mittels eines Hochpassfilters dieser Anteil von der Messung ausschließbar. Eine Regeleinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Amplitude von der elektromagnetischen Strahlung in Form von rotem, sichtbarem Licht, insbesondere in einer Wellenlänge, solange anzupassen, bis am Empfängerelement ein Nullsignal anliegt. Hierbei ist insbesondere sowohl eine Amplitude des Referenzsignal als auch eine Amplitude des Messsignals von der Regeleinheit anpassbar. Bevorzugt wird das oben genannte Verfahren für die elektromagnetische Strahlung in Form von Infrarotstrahlung ebenfalls durchgeführt. Somit kann infolge einer Messung von zwei elektromagnetischen Strahlungen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen besonders vorteilhaft eine Bestimmung des normalisierten differenzierten Vegetationsindex (NDVI), eines Ratio Vegetation Index (RVI), und/oder eine besonders vorteilhafte Erfassung eines Anstiegs der Reflektanz („Red Edge“) ermöglicht werden. Hierdurch kann vorteilhaft ein hoher Dynamikbereich und eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine Kompensation von einem Alterungseffekt erreicht werden kompensiert. Besonders bevorzugt ist eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen innerhalb der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung direkt der Empfängereinheit zuführbar. Hierbei ist vorzugsweise eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen zu einer Reflexion an der Arbeitsfläche, insbesondere an Gras, das an der Arbeitsfläche angeordnet ist, aussendbar und eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen ist direkt und arbeitsflächenreflexionslos an die Empfängereinheit aussendbar. Die direkt an die Empfängereinheit aussendbare elektromagnetische Strahlung ist insbesondere über einen konstanten optischen Strahlengang direkt an die Empfängereinheit aussendbar. Hierdurch kann vorteilhaft ein Referenzsignal erzeugt werden, das zu einer Bewertung von auf die indirekt der Empfängereinheit zugesandte elektromagnetische Strahlung einwirkenden Umwelteinflüsse heranziehbar ist. Somit kann besonders vorteilhaft eine Beeinflussung durch Umwelteinflüsse, wie beispielsweise eine Verschmutzung einer Linse/eines Sensors, eine Temperaturänderung, eine Umgebungslichtänderung, eine Alterung o. dgl., auf empfangene und/oder ausgesandte elektromagnetische Strahlungen zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung möglichst gering gehalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Strahlungsquelleneinheit dazu vorgesehen ist, zumindest zwei verschiedenartig gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen auszusenden, die ein Offset, wie beispielsweise ein zeitliches Offset, einen Phasenversatz o. dgl., zueinander aufweisen. Zu einer Pulsierung und/oder zu einer Amplitudenmodulation der elektromagnetischen Strahlungen sind verschiedene, einem Fachmann bereits bekannte Pulsierungsverfahren und/oder Amplitudenmodulationsverfahren denkbar. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung kann besonders vorteilhaft eine präzise Klassifizierung einer Beschaffenheit einer Arbeitsfläche ermöglicht werden, wobei die Klassifizierung vorteilhaft gering durch Störgrößen beeinflussbar ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass mittels der Strahlungsquelleneinheit ausgesandte elektromagnetische Strahlungen und mittels der Empfängereinheit empfangene elektromagnetische Strahlungen einen zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengang aufweisen. Vorzugsweise weist die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung hierzu zumindest eine Strahlungsleiteinheit auf, die dazu vorgesehen ist, zumindest zu einem Zeitpunkt eines Aussendens und/oder eines Empfangs von elektromagnetischen Strahlungen die elektromagnetischen Strahlung in einem gemeinsamen optischen Strahlengang zu leiten. Somit sind ausgesandte und empfangene elektromagnetische Strahlungen vorzugsweise zumindest teilweise in einem gemeinsamen optischen Strahlengang leitbar. Bevorzugt umfasst die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung zu einer Ermöglichung eines Empfangens und eines Aussendens von elektromagnetischen Strahlungen in einem gemeinsamen optischen Strahlengang zumindest eine Strahlteilereinheit. Die Strahlteilereinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung nach einer Reflexion an einer Arbeitsfläche auf die Empfängereinheit umzulenken. Hierbei ist die Strahlteilereinheit bevorzugt dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlung nach einer Reflexion an einer Arbeitsfläche innerhalb der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung auf die Empfängereinheit umzulenken. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung kann vorteilhaft erreicht werden, dass Umwelteinflüsse sich in gleichem Umfang auf eine Signalamplitude der verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen auswirken, wobei ein Verhältnis der verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen von den Umwelteinflüssen zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass Umwelteinflüsse besonders vorteilhaft eine geringe Beeinflussung auf eine Klassifizierung einer Arbeitsfläche aufweisen. Ferner kann vorteilhaft eine identische Überlappung über einen Messbereich realisiert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung zumindest eine Auswerteeinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, zumindest ein Verhältnis auszuwerten, das abhängig von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen und empfangenen elektromagnetischen Strahlungen ist. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, zumindest einen Kopplungsfaktor auszuwerten. Zudem ist die Auswerteeinheit vorzugsweise dazu vorgesehen, zumindest ein Verhältnis zwischen einer Stromstärke, die abhängig ist von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen, und einer Stromstärke, die abhängig ist von empfangenen elektromagnetischen Strahlungen, auszuwerten. Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, ein Verhältnis zwischen Kopplungsfaktoren von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen und empfangenen elektromagnetischen Strahlungen mit einem Verhältnis von Stromstärken, die abhängig sind von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen und empfangenen elektromagnetischen Strahlungen, auszuwerten und/oder zu vergleichen. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine besonders vorteilhafte relative Reflektanzmessung erreicht werden, die zumindest im Wesentlichen unabhängig von Umwelteinflüssen ist.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, eine Antriebseinheit des autonomen Fortbewegungsgeräts in Abhängigkeit von einer mittels der Auswerteeinheit ermittelbaren Reflektanz von elektromagnetischen Strahlungen zu steuern und/oder zu regeln. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einer Prozessoreinheit und mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann vorteilhaft eine zuverlässige Bearbeitung einer Arbeitsfläche infolge einer vorteilhaften Arbeitsflächenerkennung ermöglicht werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit dazu vorgesehen ist, eine Ausregelung mittels einer Demodulation durchzuführen. Hierdurch kann vorteilhaft eine großer Dynamikbereich und eine hohe Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung erreicht werden.
Ferner geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einer Erkennung einer Arbeitsfläche mittels einer erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung. Hierbei wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei unterschiedliche Strahlungsquellenelemente der Strahlungsquelleneinheit elektromagnetische Strahlungen aussenden, die von dem einzelnen Empfängerelement zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung empfangen werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine vorteilhafte Kompensierung von Umwelteinflüssen zu einer Ermöglichung einer zuverlässigen Arbeitsflächenerkennung erreicht werden.
Zudem wird ein autonomes Fortbewegungsgerät, insbesondere ein autonomer Rasenmäher, mit zumindest einer erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung vorgeschlagen. Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine zuverlässige Navigation und/oder Orientierung des autonomen Fortbewegungsgeräts zu einer präzisen Bearbeitung einer Arbeitsfläche erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße autonome Fortbewegungsgerät sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße autonome Fortbewegungsgerät zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 Ein erfindungsgemäßes autonomes Fortbewegungsgerät, insbesondere ein autonomer Rasenmäher, mit einer erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, bei der ausgesandte elektromagnetische Strahlungen in einem Strahlengang aussendbar sind, der verschieden ist von einem Strahlengang, in dem elektromagnetische Strahlungen emfpangbar sind, in einer schematischen Darstellung,
3 eine Detailansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, bei der ausgesandte elektromagnetische Strahlungen und empfangbare elektromagnetische Strahlungen in einem gemeinsamen Strahlengang leitbar sind, in einer schematischen Darstellung,
4 eine Detailansicht einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, bei der ausgesandte elektromagnetische Strahlungen direkt einer Empfängereinheit zuführbar sind, in einer schematischen Darstellung und
5 eine Detailansicht einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung, bei der ausgesandte elektromagnetische Strahlungen und empfangbare elektromagnetische Strahlungen in einem gemeinsamen Strahlengang leitbar sind, in einer schematischen Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein autonomes Fortbewegungsgerät 12a, das zumindest eine Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a umfasst. Ferner umfasst das autonome Fortbewegungsgerät 12a zu einer Fortbewegung eine, einem Fachmann bereits bekannte Antriebseinheit 42a. Die Antriebseinheit 42a ist hierbei als Elektromotoreinheit ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Antriebseinheit 42a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist, wie beispielsweise eine Ausgestaltung als Brennkraftmotoreinheit, als Hybridmotoreinheit o. dgl. Zu einer Energieversorgung der Antriebseinheit 42a und/oder weiteren Komponenten des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a umfasst das autonome Fortbewegungsgerät 12a zumindest eine Energieversorgungseinheit 44a. Die Energieversorgungseinheit 44a ist hierbei als Akkumulatoreinheit ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Energieversorgungseinheit 44a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist, wie beispielsweise eine Ausgestaltung als kabelgebundene Netzteileinheit, als Brennstoffzelle o. dgl. Das autonome Fortbewegungsgerät 12a umfasst ferner zumindest eine Gehäuseeinheit 46a, die zumindest die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a, die Antriebseinheit 42a und die Energieversorgungseinheit 44a zumindest teilweise umschließt.
Zudem umfasst das autonome Fortbewegungsgerät 12a zumindest eine Fahrwerkseinheit 48a, wobei die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a zumindest teilweise an einer einer Untergrundkontaktfläche der Fahrwerkseinheit 48a zugewandten Seite der Gehäuseeinheit 46a angeordnet ist. Hierbei kann die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a beweglich relativ zur Gehäuseeinheit 46a angeordnet sein, wie beispielsweise mittels eines Schwenkarms o. dgl. Eine Anordnung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a an einer anderen, einem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Position an der Gehäuseeinheit 46a ist ebenfalls denkbar, wie beispielsweise eine Anordnung an einer in eine Fortbewegungsrichtung ausgerichteten Vorderseite der Gehäuseeinheit 46a, an einer entgegen der Fortbewegungsrichtung ausgerichteten Rückseite der Gehäuseeinheit 46a o. dgl. Die Fahrwerkseinheit 48a weist eine, einem Fachmann bereits bekannte Ausgestaltung auf. Somit kann die Fahrwerkseinheit 48a lenkbare und/oder nicht lenkbare Räder umfassen, die antreibbar oder antriebslos ausgebildet sind.
Des Weiteren umfasst das autonome Fortbewegungsgerät 12a zumindest eine Standortortungseinheit 50a, welche zu einer Positionsbestimmung des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a innerhalb eines Arbeitsbereichs, insbesondere auf einer Arbeitsfläche 54a, vorgesehen ist. Die Standortortungseinheit 50a ist an und/oder in der Gehäuseeinheit 46a angeordnet. Hierbei ist die Standortortungseinheit 50a als GPS-Einheit ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Standortortungseinheit 50a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist.
Das autonome Fortbewegungsgerät 12a ist als autonomer Rasenmäher ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, sich, insbesondere nach einem Anlernprozess, selbstständig innerhalb eines Arbeitsbereichs bzw. einer Arbeitsumgebung fortzubewegen und eine in dem Arbeitsbereich bzw. der Arbeitsumgebung angeordnete Arbeitsfläche 54a selbsttätig zu bearbeiten. Es ist jedoch auch denkbar, dass das autonome Fortbewegungsgerät 12a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist, wie beispielsweise eine Ausgestaltung als autonomer Staubsauger, als autonomes Transportgerät, als autonomes Agrargerät zu einer Bearbeitung von landwirtschaftlichen Flächen, als autonomes Fluggerät o. dgl. Zu einer Bearbeitung der Arbeitsfläche 54a weist das autonome Fortbewegungsgerät 12a eine als Mähwerkeinheit ausgebildete Arbeitsflächenbearbeitungseinheit 52a auf. Die Arbeitsflächenbearbeitungseinheit 52a weist hierbei eine, einem Fachmann bereits bekannte Ausgestaltung auf.
Zu einer Navigation und/oder einer Orientierung des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a auf der zu bearbeitenden Arbeitsfläche 54a umfasst das autonome Fortbewegungsgerät 12a die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a. Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a umfasst zumindest eine Strahlungsquelleneinheit 14a und zumindest eine Empfängereinheit 16a, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest ein mittels der Strahlungsquelleneinheit 14a ausgesandte elektromagnetische Strahlung 20a, 22a zu empfangen (2). Die Empfängereinheit 16a weist zumindest ein einzelnes Empfängerelement 24a auf, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen 20a, 22a, die von der Strahlungsquelleneinheit 14a aussendbar sind, zu empfangen. Das Empfängerelement 24a ist hierbei als Fotodiode ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Empfängerelement 24a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweist, mittels derer ein Empfangen von zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a ermöglichbar ist. Die verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a, die von der Strahlungsquelleneinheit 14a aussendbar sind, sind elektromagnetische Strahlungen 20a in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm) und elektromagnetische Strahlungen 22a in Form von Infrarotstrahlung (780 nm bis 1,4 mm), insbesondere von naher Infrarotstrahlung (NIR). Es ist jedoch auch denkbar, dass die verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a, die von der Strahlungsquelleneinheit 14a aussendbar sind, eine andere Form von elektromagnetischen Strahlungen darstellen.
Die Strahlungsquelleneinheit 14a und die Empfängereinheit 16a bilden eine Sensoreinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a. Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a weist besonders bevorzugt, betrachtet entlang einer Längsachse des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a und/oder entlang einer zumindest im Wesentlichen quer zur Längsachse des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a verlaufenden Richtung, eine Vielzahl an Sensoreinheiten auf, die gleichmäßig oder ungleichmäßig entlang der Längsachse des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a und/oder entlang der zumindest im Wesentlichen quer zur Längsachse des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a verlaufenden Richtung an der Gehäuseeinheit 46a, insbesondere an einer der Arbeitsfläche 54a zugewandten Seite der Gehäuseeinheit 46a, angeordnet sind. Andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Anordnungen der Sensoreinheiten sind ebenfalls denkbar.
Die Strahlungsquelleneinheit 14a umfasst zu einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a zumindest zwei Strahlungsquellenelemente 26a, 28a. Die Strahlungsquellenelemente 26a, 28a sind als LEDs ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Strahlungsquellenelemente 26a, 28a eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung aufweisen. Eines der Strahlungsquellenelemente 26a, 28a ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlungen 20a in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm) auszusenden. Eines der Strahlungsquellenelemente 26a, 28a ist dazu vorgesehen, elektromagnetische Strahlungen 22a in Form von Infrarotstrahlung (780 nm bis 1,4 mm), insbesondere von naher Infrarotstrahlung (NIR), auszusenden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Strahlungsquelleneinheit 14a lediglich ein einzelnes Strahlungsquellenelement (hier nicht näher dargestellt) aufweist, das dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlungen 20a in Form von sichtbarem Licht (380 nm bis 780 nm), insbesondere in Form von rotem, sichtbarem Licht (620 nm bis 780 nm) aussendbar ist, und elektromagnetische Strahlungen 22a in Form von Infrarotstrahlung (780 nm bis 1,4 mm), insbesondere von naher Infrarotstrahlung (NIR), auszusenden. Hierbei ist es denkbar, dass das einzelne Strahlungsquellenelement als Dual-Wellenlängen-LED ausgebildet ist. Weitere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltungen der Strahlungsquelleneinheit 14a sind ebenfalls denkbar. Somit ist ein Verfahren zu einer Erkennung der Arbeitsfläche 54a mittels der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a realisierbar, bei dem die zumindest zwei unterschiedlichen Strahlungsquellenelemente 26a, 28a der Strahlungsquelleneinheit 14a elektromagnetische Strahlungen 20a, 22a aussenden, die von dem einzelnen Empfängerelement 24a zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung empfangen werden.
Die Strahlungsquellenelemente 26a, 28a senden zeitlich versetzte, gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen 20a, 22a aus. Somit ist die Strahlungsquelleneinheit 14a dazu vorgesehen, zumindest zwei verschiedenartig gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen 20a, 22a auszusenden, die ein Offset, insbesondere ein zeitliches Offset oder einen Phasenversatz, zueinander aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass bei einer Überfahrung einer bereits bekannten Arbeitsfläche 54a und/oder einer geringen Updaterate eine Aussendung von elektromagnetischen Strahlungen zu einem Einsparen von Energie und einer Vorbeugung einer Alterung aussetzbar ist. Die mittels der Strahlungsquelleneinheit 14a, insbesondere mittels der Strahlungsquellenelemente 26a, 28a, ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a sind durch eine Optikeinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a innerhalb der zumindest die Strahlungsquelleneinheit 14a und die Empfängereinheit 16a umfassenden Sensoreinheit auf einen optischen Strahlengang 32a zusammenführbar. Hierzu umfasst die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a zumindest eine Bündelungseinheit 30a, die dazu vorgesehen ist, zumindest bei einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a die zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a in einem optischen Strahlengang 32a zu bündeln. Die Bündelungseinheit 30a ist hierbei Teil der Sensoreinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a. Außerhalb der Sensoreinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a weisen die ausgesandten elektromagnetische Strahlungen 20a, 22a zumindest im Wesentlichen einen gemeinsamen optischen Strahlengang 32a auf, insbesondere zeitlich vor einer Reflexion der elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a an der Arbeitsfläche 54a. Somit wirken Umwelteinflüsse und/oder Störungen, wie beispielsweise eine Verschmutzung einer Linse/eines Sensors, eine Temperaturänderung, eine Umgebungslichtänderung, eine Alterung o. dgl., in gleichem Umfang auf eine Signalamplitude der elektromagnetischen Strahlungen 20a in Form von sichtbarem Licht und auf eine Signalamplitude der elektromagnetischen Strahlungen 22a in Form von Infrarotstrahlung. Ein Verhältnis zwischen der Signalamplitude der elektromagnetischen Strahlungen 20a in Form von sichtbarem Licht und der Signalamplitude der elektromagnetischen Strahlungen 22a in Form von Infrarotstrahlung bleibt hierbei jedoch zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst von Umwelteinflüssen und/oder Störungen. Somit kann vorteilhaft eine Klassifizierung einer Beschaffenheit der Arbeitsfläche 54a (Grasfläche/Nicht-Grasfläche) vorgenommen werden, die zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst von Umwelteinflüssen und/oder Störungen ist.
Ein optischer Strahlengang 56a von an der Arbeitsfläche 54a reflektierten elektromagnetischen Strahlungen 34a, 36a, die zumindest teilweise den ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a entsprechen, ist verschieden von dem optischen Strahlengang 32a, entlang welchem die elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a mittels der Strahlungsquelleneinheit 14a aussendbar sind. Durch diese Trennung ist nur der Teil der ausgesandeten elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a, der von den reflektierten elektromagnetischen Strahlungen 34a, 36a gebildet wird, vom Empfängerelement 24a empfangbar, welches in einem gemeinsamen „Sichtfeld“ beider optischer Strahlengänge 32a, 56a reflektiert wird. Reflexionen von Verschmutzungen auf einer Sensoreinheitsoberfläche oder innerhalb der Optikeinheit, insbesondere Reflexionen von Verschmutzungen in einem der optischen Strahlengänge 32a, 56a, sind somit vom Empfängerelement 24a zumindest im Wesentlichen unempfangbar. Derartige Verschmutzungen haben hierbei nur einen Einfluss auf eine Signalamplitude, jedoch nicht auf ein Verhältnis von Signalamplituden in unterschiedlichen Wellenlängen und/oder auf ein Verhältnis von Indices. Somit kann besonders vorteilhaft eine robuste Arbeitsflächenerkennung realisiert werden.
Infolge eines Empfangens der reflektierten elektromagnetischen Strahlungen 34a, 36a wird über das Empfängerelement 24a ein elektrisches Signal, das abhängig ist von den empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34a, 36a, erzeugt, das einer Auswerteeinheit 38a der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a zuführbar ist. Hierbei ist die Auswerteeinheit 38a dazu vorgesehen, zumindest ein Verhältnis auszuwerten, das abhängig von den ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a und von den empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34a, 36a ist. Die von der Auswerteeinheit 38a vorgenommene Auswertung ist von einer Steuer- und/oder Regeleinheit 40a der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a zu einer Steuerung und/oder Regelung des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a nutzbar. Somit umfasst die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a zumindest die Steuer- und/oder Regeleinheit 40a, die dazu vorgesehen ist, die Antriebseinheit 42a des autonomen Fortbewegungsgeräts 12a in Abhängigkeit von einer mittels der Auswerteeinheit 38a ermittelbaren Reflektanz von elektromagnetischen Strahlungen 20a, 22a, 34a, 36a zu steuern und/oder zu regeln. Hierbei ist es denkbar, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit 40a dazu vorgesehen ist, eine Ausregelung mittels einer Demodulation durchzuführen.
In 3 bis 5 sind weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis d ersetzt.
3 zeigt eine Detailansicht eine alternative Ausgestaltung einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10b eines autonomen Fortbewegungsgeräts (hier nicht näher dargestellt). Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10b des autonomen Fortbewegungsgeräts umfasst zumindest eine Strahlungsquelleneinheit 14b und zumindest eine Empfängereinheit 16b, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit 14b ausgesandte elektromagnetische Strahlung 20b, 22b zu empfangen. Die Empfängereinheit 16b weist hierzu zumindest ein einzelnes Empfängerelement 24b auf, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen 20b, 22b, die von der Strahlungsquelleneinheit 14b aussendbar sind, zu empfangen. Hierbei weisen die mittels der Strahlungsquelleneinheit 14b ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20b, 22b und mittels der Empfängereinheit 16b empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34b, 36b, einen zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengang 32b auf. Somit sind die elektromagnetischen Strahlungen 20b, 22b, 34b, 36b entlang eines zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengangs 32b aussendbar und emfpangbar. Zu einer Ermöglichung einer Zuführung der durch den zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengang 32b empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34b, 36b umfasst die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10b zumindest einen Strahlteiler 58b. Der Strahlteiler 58b ist hierbei dazu vorgesehen, die empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34b, 36b auf die Empfängereinheit 16b umzuleiten. Der Strahlteiler 58b ist hierbei vorzugsweise innerhalb einer zumindest von der Strahlungsquelleneinheit 14b und der Empfängereinheit 16b gebildeten Sensoreinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10b angeordnet. Die mittels der Empfängereinheit 16b empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34b, 36b werden hierbei von Teilen der ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20b, 22b gebildet, die nach einem Aussenden von einer Arbeitsfläche 54b reflektiert wurden. Mittels des zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengangs 32b kann vorteilhaft erreicht werden, dass ein gemeinsames „Sichtfeld" über die Entfernung immer dasselbe ist.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Funktionen der in der 3 dargestellten Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10b darf auf die Beschreibung der in den 1 und 2 beschriebenen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a verwiesen werden. Insbesondere darf auch hinsichtlich einer Ausgestaltung des in der Beschreibung der 3 genannten autonomen Fortbewegungsgeräts auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen werden.
4 zeigt eine Detailansicht einer weiteren alternativen Ausgestaltung einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c eines autonomen Fortbewegungsgeräts (hier nicht näher dargestellt). Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c des autonomen Fortbewegungsgeräts umfasst zumindest eine Strahlungsquelleneinheit 14c und zumindest eine Empfängereinheit 16c, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit 14c ausgesandte elektromagnetische Strahlung 20c, 22c zu empfangen. Die Empfängereinheit 16c weist hierzu zumindest ein einzelnes Empfängerelement 24c auf, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen 20c, 22c, die von der Strahlungsquelleneinheit 14c aussendbar sind, zu empfangen. Zu einer Erzeugung eines Referenzsignals sind in zumindest einem Verfahrensschritt elektromagnetische Strahlungen 20c, 22c in einem gleichbleibenden Wellenlängenberiech aussendbar. In der in 4 dargestellten Ausgestaltung der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c ist zumindest eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit 14c aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen 20c, 22c direkt der Empfängereinheit 16c zuführbar. Somit ist zumindest eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit 14c aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen 20c, 22c direkt an die Empfängereinheit 16c sendbar. Zudem ist eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit 14c aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen 20c, 22c zu einer Reflexion an einer Arbeitsfläche 54c in Richtung der Arbeitsfläche 54c aussendbar. Somit weisen die aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen 20c, 22c unterschiedliche optische Strahlengänge 32c, 60c auf.
Die Strahlungsquelleneinheit 14c umfasst zu einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20c, 22c zumindest zwei Strahlungsquellenelemente 26c, 28c. Die zumindest zwei Strahlungsquellenelemente 26c, 28c sind hierbei mittels jeweils einem variablen Stromquellenelement 64c, 66c der Strahlungsquelleneinheit 14c mit Energie versorgbar bzw. ansteuerbar. Hierbei ist eines der zwei Strahlungsquellenelemente 26c, 28c dazu vorgesehen, gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen 20c zu einer Reflexion an einer Arbeitsfläche 54c in Richtung der Arbeitsfläche 54c auszusenden. Nach einer Reflexion der ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20c an der Arbeitsfläche 54c, insbesondere an Gras, das an der Arbeitsfläche 54c angeordnet ist, sind Teile der ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20c als empfangbare elektromagnetische Strahlungen 34c von dem Empfängerelement 24c empfangbar. Eines der zwei Strahlungsquellenelemente 26c, 28c ist ferner dazu vorgesehen, gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen 22c auszusenden, die einen Phasenversatz, insbesondere einen Phasenversatz von 180°, zu den elektromagnetischen Strahlungen 20c, die zur Reflexion an der Arbeitsfläche 54c aussendbar sind, aufweisen und direkt an das Empfängerelement 24c sendbar sind. Hierbei ist es auch denkbar, dass zu einer Ermittlung eines linearen Arbeitspunkts einer zwei Strahlungsquellenelemente 26c, 28c ein DC-Offset erzeugbar ist. Hierdurch ist vorteilhaft eine ähnliche Alterung von Referenzsignal und Sendesignal einstellbar. Ein DC-Anteil ist vorteilhafterweise durch eine Hochpassfilterung in einem Messsignal herausfilterbar. Die elektromagnetischen Strahlungen 22c sind hierbei über einen konstanten optischen Strahlengang 60c direkt an das Empfängerelement 24c sendbar. Der konstante optische Strahlengang 60c verläuft innerhalb einer zumindest von der Strahlungsquelleneinheit 14c und der Empfängereinheit 16c gebildeten Sensoreinheit der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c. Somit weist das Strahlungsquellenelement 28c, das dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlungen 22c direkt an das Empfängerelement 24c zu senden, einen konstanten Kopplungsfaktor D_LED2 auf. Am Empfängerelement 24c überlagern sich hierbei Strahlungsleistungen der empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34c, 36c. Eine Aussendeleistung des Strahlungsquellenelements 26c, das dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlungen 20c zu einer Reflexion an der Arbeitsfläche 54c in Richtung der Arbeitsfläche 54c auszusenden, und/oder eine Aussendeleistung des Strahlungsquellenelements 28c, das dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlungen 22c direkt an das Empfängerelement 24c zu senden, sind mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit 40c der Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c derart anpassbar, dass sich zumindest ein durch die empfangenen elektromagnetischen Strahlungen 34c, 36c hervorgerufenes Signal am Empfängerelement 24c aufhebt. Hierdurch ist von dem Empfängerelement 24c ein konstantes DC-Signal erzeugbar. Für einen derartigen Ausregelvorgang ist es sinnvoll mehrere Strahlungspulse der Strahlungsquellenelemente 26c, 28c auszusenden, die vom Empfängerelement 24c empfangen werden. Nach dem Ausregelvorgang können die Strahlungspulse für eine bestimmte Dauer ruhen. Eine Regelbedingung für einen empfangenen Empfängerelementstrom besagt hierbei, dass eine Stromstärke des Strahlungsquellenelements 26c, das zu einer Aussendung einer elektromagnetischen Strahlung 20c zu einer Reflexion an der Arbeitsfläche 54c vorgesehen ist, am Empfängerelement 24c gleichgroß ist wie eine Stromstärke des Strahlungsquellenelements 28c am Empfängerelement 24c, das zu einer direkten Übertragung einer elektromagnetischen Strahlung 22c an das Empfängerelement 24c vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich insbesondere folgende mathematische Gleichung: f(I_LED1·η_LED1·D_LED1·α_PD·v) = f(I_LED2·η_LED2·D_LED2·α_PD·v)
Bei der Gleichung steht η für einen Wirkungsgrad eines der Strahlungsquellenelemente 26c, 28c, α für eine Empfindlichkeit des Empfängerelements 24c, v für einen Signalverstärkungsfaktor, D für einen optischen Kopplungsfaktor und PD für das Empfängerelement 24c, wobei LED1 für das Strahlungsquellenelement 28c steht und LED2 für das Strahlungsquellenelement 26c steht.
Ist eine Transferfunktion f_PD für f (Wirkungsgrad LED) für beide Signale identisch und monoton, so gilt hier insbesondere: D_LED2 ≈ I_LED2/I_LED1·D_LED1
Somit ist eine relative Reflektanzmessung, insbesondere in Abhängigkeit des Kopplungsfaktors D_LED2, der Arbeitsfläche 54c erreichbar, die zumindest im Wesentlichen unabhängig von Umwelteinflüssen ist, insbesondere bezogen auf eine der elektromagnetischen Strahlungen in Form von rotem, sichtbarem Licht. Zu einer Ermittlung einer Reflektanz bei der elektromagnetischen Strahlung in Form von Infrarotstrahlung ist beispielsweise ein weiteres Strahlungsquellenelement, insbesondere eine weitere LED, notwendig, wobei eine der Strahlungsquellenelemente 26c, 28c oder eine zusätzliches Strahlungsquellenelement, insbesondere eine zusätzliche LED, zu einem Ausregeln verwendbar ist. Zudem ist vorteilhaft in einem Ausregelzustand ein Wechselanteil Null. Somit weist die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c einen hohen Dynamikbereich und eine hohe Empfindlichkeit auf. Ferner sind vorteilhaft durch eine Modulation eine Arbeitsflächenerkennung und insbesondere eine Messung von strahlungsabhängigen Kenngrößen robust gegen einen Einfluss eines Umgebungslichts durchführbar. Zu einer besseren Verarbeitbarkeit von Signalen des Empfängerelements 24c sind dem Empfängerelement 24c zumindest ein Vorverstärkerelement 62c, insbesondere ein Transimpedanzverstärker, und ein Signalverstärkerelement 18c, wie beispielsweise ein Differenzverstärker, ein Hochpassfilter, ein nichtinvertierender Verstärker, ein Demodulator o. dgl., der Empfängereinheit 16c nachgeschaltet. Hierbei ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 40c dazu vorgesehen, eine Ausregelung mittels einer Demodulation durchzuführen. Hinsichtlich weiterer Merkmale und Funktionen der in der 4 dargestellten Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c darf auf die Beschreibung der in den 1 und 2 beschriebenen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a verwiesen werden. Insbesondere darf auch hinsichtlich einer Ausgestaltung des in der Beschreibung der 4 genannten autonomen Fortbewegungsgeräts auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen werden.
5 zeigt eine Detailansicht einer weiteren alternativen Ausgestaltung einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10d eines autonomen Fortbewegungsgeräts (hier nicht näher dargestellt). Die Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10d des autonomen Fortbewegungsgeräts umfasst zumindest eine Strahlungsquelleneinheit 14d und zumindest eine Empfängereinheit 16d, die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit 14d ausgesandte elektromagnetische Strahlung 20d, 22d zu empfangen. Die Empfängereinheit 16d weist hierzu zumindest ein einzelnes Empfängerelement 24d auf, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen 20d, 22d, die von der Strahlungsquelleneinheit 14d aussendbar sind, zu empfangen. Hierbei weist die in 5 dargestellte Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10d eine zumindest im Wesentlichen analoge Ausgestaltung zu der in der 4 dargestellten Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c auf. Im Unterschied zu der in der 4 dargestellten Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c weist die in 5 dargestellte Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10d zumindest eine Bündelungseinheit (hier nicht näher dargestellt) auf, die dazu vorgesehen ist, zumindest bei einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20d, 22d die zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen 20d, 22d in einem optischen Strahlengang 32d zu bündeln. Somit erfolgt eine Kopplung von mittels des Empfängerelements 24d empfangbaren elektromagnetischen Strahlungen 34d, 36d, die von Teilen der ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen 20d, 22d gebildet sind, die nach einem Aussenden von einer Arbeitsfläche 54d reflektiert wurden, direkt über die Arbeitsfläche 54d. Ist eine Wirkungsgradänderung der Strahlungsquellenelemente 26d, 28d identisch oder zumindest im Wesentlichen identisch, so ergibt sich die Gleichung: D_LED2/D_LED1 ≈ I_LED2/I_LED1
Hierdurch kann vorteilhaft auf eine Referenz-LED mit Lichtleiter verzichtet werden. Hinsichtlich weiterer Merkmale und Funktionen, die zu einer Nutzung der in der 5 dargestellten Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10d sinnvoll, sind darf auf die Beschreibung der in den 1 und 2 beschriebenen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10a und auf die Beschreibung der in der 4 beschriebenen Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung 10c verwiesen werden. Insbesondere darf auch hinsichtlich einer Ausgestaltung des in der Beschreibung der 5 genannten autonomen Fortbewegungsgeräts auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007023157 A1 [0001]

Claims

Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung eines autonomen Fortbewegungsgeräts, insbesondere eines autonomen Rasenmähers, mit zumindest einer Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) und mit zumindest einer Empfängereinheit (16a; 16b; 16c; 16d), die zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung dazu vorgesehen ist, zumindest eine mittels der Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) ausgesandte elektromagnetische Strahlung (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit (16a; 16b; 16c; 16d) zumindest ein einzelnes Empfängerelement (24a; 24b; 24c; 24d) aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest zwei zumindest hinsichtlich einer Wellenlänge verschiedenartige elektromagnetische Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d), die von der Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) aussendbar sind, zu empfangen.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) zu einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) zumindest zwei Strahlungsquellenelemente (26a, 28a; 26b, 28b; 26c, 28c; 26d, 28d) umfasst.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zumindest eine Bündelungseinheit (30a; 30b; 30d), die dazu vorgesehen ist, zumindest bei einer Aussendung der zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20d, 22d) die zumindest zwei verschiedenartigen elektromagnetischen Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20d, 22d) in einem optischen Strahlengang (32a; 32b; 32d) zu bündeln, räumlich zu überlagern und/oder durchzumischen.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zwei durch die Strahlungsquelleneinheit (14c) aussendbaren elektromagnetischen Strahlungen (20c, 22c) direkt der Empfängereinheit (16c) zuführbar ist.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei verschiedenartig gepulste und/oder amplitudenmodulierte elektromagnetische Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) auszusenden, die ein Offset zueinander aufweisen.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlungsquelleneinheit (14b) ausgesandte elektromagnetische Strahlungen (20b, 22b) und mittels der Empfängereinheit (16b) empfangene elektromagnetische Strahlungen (34b, 36b) einen zumindest im Wesentlichen gemeinsamen optischen Strahlengang (32b) aufweisen.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Auswerteeinheit (38a; 38b; 38c; 38d), die dazu vorgesehen ist, zumindest ein Verhältnis auszuwerten, das abhängig von ausgesandten elektromagnetischen Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) und empfangenen elektromagnetischen Strahlungen (34a, 36a; 34b, 36b; 34c, 36c; 34d, 36d) ist.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zumindest eine Steuer- und/oder Regeleinheit (40a; 40b; 40c; 40d), die dazu vorgesehen ist, eine Antriebseinheit (42a) des autonomen Fortbewegungsgeräts in Abhängigkeit von einer mittels der Auswerteeinheit (38a; 38b; 38c; 38d) ermittelbaren Reflektanz von elektromagnetischen Strahlungen (20a, 22a, 34a, 36a; 20b, 22b, 34b, 36b; 20c, 22c, 34c, 36c; 20d, 22d, 34d, 36d) zu steuern und/oder zu regeln.
Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit (40a; 40b; 40c; 40d) dazu vorgesehen ist, eine Ausregelung mittels einer Demodulation durchzuführen.
Verfahren zu einer Erkennung einer Arbeitsfläche mittels einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei unterschiedliche Strahlungsquellenelemente (26a, 28a; 26b, 28b; 26c, 28c; 26d, 28d) der Strahlungsquelleneinheit (14a; 14b; 14c; 14d) elektromagnetische Strahlungen (20a, 22a; 20b, 22b; 20c, 22c; 20d, 22d) aussenden, die von dem einzelnen Empfängerelement (24a; 24b; 24c; 24d) zu einer Ermöglichung einer Arbeitsflächenerkennung empfangen werden.
Autonomes Fortbewegungsgerät, insbesondere autonomer Rasenmäher, mit zumindest einer Navigations- und/oder Orientierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.