DE102020205767A1 - Method for determining at least one piece of information about a soil - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Information zu einem Boden (112) mit einer Anordnung (100), die mittels eines Antriebs (104) relativ zu dem Boden (112) bewegt werden kann, wobei der Antrieb (104) mit einem Antriebssignal angesteuert wird, das einen Verlauf mit einer periodischen Komponente hat, die ein Einprägen eines Drehmoments (106) mit einem periodischen Verlauf auf mindestens ein Antriebsrad (102) der Anordnung (100) bewirkt, wobei dieses Einprägen eine Schwingung der Anordnung (100) bewirkt, wobei ein die Schwingung charakterisierendes Signal erfasst und ausgewertet wird, um die mindestens eine Information zu ermitteln.A method for determining at least one item of information on a floor (112) with an arrangement (100) which can be moved relative to the floor (112) by means of a drive (104), the drive (104) being controlled with a drive signal which has a course with a periodic component which causes a torque (106) with a periodic course to be impressed on at least one drive wheel (102) of the arrangement (100), this impressing causing the arrangement (100) to oscillate, with the oscillation characterizing signal is detected and evaluated in order to determine the at least one piece of information.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Information zu einem Boden und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for determining at least one item of information about a floor and an arrangement for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Unter einer Information zu einem Boden wird hierin sowohl die Beschaffenheit des Bodens als auch ein Abstand zu diesem Boden verstanden. Es werden somit damit auch geometrische Eigenschaften des Bodens verstanden. Die Erfassung der Information ermöglicht somit die Bestimmung von Eigenschaften des Bodens.Information about a floor is understood here to mean both the nature of the floor and a distance from this floor. This also means that the geometric properties of the soil are understood. The acquisition of the information thus enables the properties of the soil to be determined.
Die Bestimmung der Beschaffenheit eines Bodens bzw. einer Bodenfläche als eine Eigenschaft des Bodens ist regelmäßig in den Fällen von Bedeutung, bei denen dieser Boden anschließend behandelt, insbesondere gereinigt, werden soll. Die Beschaffenheit umfasst dabei sowohl Eigenschaften des Bodens, wie die Härte des Bodens, insbesondere von dessen Oberfläche, sowie das verwendete Material, was sich wiederum auf die Eigenschaften des Bodens auswirkt. So wird bspw. unterschieden zwischen einem Steinboden, einem Holzboden und einem Teppichboden, die unterschiedlich beschaffen sind, d. h. die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Auf Grundlage der bestimmten Beschaffenheit kann dann auf die Art des Bodens bzw. den Bodentyp, bspw. Holz, Teppich oder Stein, geschlossen werden. Alle diese Böden sollen auf eine geeignete Art behandelt werden, weswegen angestrebt wird, mittels eines automatisiert durchgeführten Verfahrens die Beschaffenheit und insbesondere auch unterschiedliche Beschaffenheiten verschiedener Bodenbereiche zu bestimmen.The determination of the nature of a floor or a floor area as a property of the floor is regularly of importance in those cases in which this floor is subsequently to be treated, in particular cleaned. The texture includes both properties of the soil, such as the hardness of the soil, in particular of its surface, as well as the material used, which in turn affects the properties of the soil. For example, a distinction is made between a stone floor, a wooden floor and a carpeted floor, which are made differently, i.e. H. which have different properties. On the basis of the specific condition, conclusions can then be drawn as to the type of floor or the floor type, for example wood, carpet or stone. All of these soils should be treated in a suitable way, which is why the aim is to determine the nature and, in particular, different properties of different soil areas by means of an automated process.
Nach dem Stand der Technik wird in Haushaltsrobotern typischerweise eine Kombination von mehreren Sensoren eingesetzt, um die Navigation zu ermöglichen und Sicherheitsfunktionen, wie bspw. das Verhindern von Abstürzen, bspw. durch sogenannte Cliff-Sensoren, zu gewährleisten.According to the state of the art, a combination of several sensors is typically used in household robots to enable navigation and to ensure safety functions, such as preventing falls, for example using so-called cliff sensors.
Bei Staubsaugerrobotern oder Wischrobotern sind die genannten Cliff-Sensoren bekannt, die verhindern, dass der Roboter einen Abgrund, in der Regel eine Treppe, hinabstürzt und beschädigt wird. Dazu werden zum Teil mechanische Sensoren mit einer Feder und einem Tastsensor verwendet.In the case of vacuum cleaner robots or mopping robots, the aforementioned cliff sensors are known, which prevent the robot from falling down an abyss, usually a staircase, and being damaged. Mechanical sensors with a spring and a push button sensor are sometimes used for this purpose.
Zu berücksichtigen ist, dass mechanische Sensoren generell verschleißen können. Bei einem Staubsaugerroboter bzw. Wischroboter können diese verschmutzen, so können sich Haare verfangen und den Sensor unbrauchbar machen. Die Charakterisierung der Bodenoberfläche hinsichtlich der generellen Eignung für einen Wischroboter bzw. für den Einsatz einer Teppichbürste ist hingegen mit einem einfachen Tastsensor unmöglich.It should be noted that mechanical sensors can generally wear out. In the case of a vacuum cleaner robot or mopping robot, these can get dirty, hair can get caught and make the sensor unusable. The characterization of the floor surface with regard to the general suitability for a mopping robot or for the use of a carpet brush, however, is impossible with a simple touch sensor.
Ebenfalls bekannt bei Staubsaugerrobotern oder Wischrobotern ist die Verwendung von optischen Sensoren. Diese beruhen bspw. auf dem Time-of-Flight-Konzept. Dabei wird die Laufzeit eines Lichtpulses gemessen und der Abstand zum Boden ermittelt. Eine Treppenkante wird durch einen größeren gemessenen Abstand oder bei zu großen Abständen durch Ausbleiben der Rückmessung detektiert. Nachteilig bei diesen Sensoren sind die vergleichsweise hohen Kosten. Die Charakterisierung der Bodenoberfläche auf Grundlage der Reflexionseigenschaften ist grundsätzlich vorstellbar, diese wird jedoch in aktuellen Produkten nicht realisiert.The use of optical sensors is also known in vacuum cleaner robots or mopping robots. These are based, for example, on the time-of-flight concept. The transit time of a light pulse is measured and the distance to the ground is determined. A stair nosing is detected by a larger measured distance or, if the distance is too great, by failure of the back measurement. The disadvantage of these sensors is the comparatively high cost. The characterization of the soil surface on the basis of the reflection properties is basically conceivable, but this is not implemented in current products.
Daneben ist bei Staubsaugerrobotern oder Wischrobotern die Verwendung von optischen Sensoren bekannt, die den Abstand durch den Kopplungsgrad zwischen einer LED und einem Photodetektor bestimmen. Dies erfolgt ähnlich wie bei Reflexlichttastern. Es wird in diesem Zusammenhang auf
Dem Funktionsprinzip des Sensors geschuldet kann der Abstand nicht vom Reflexionskoeffizienten unterschieden werden. Ein dunkler Boden im Abstand von 50 mm erzeugt das gleiche Messsignal wie ein hellerer Boden im Abstand von 60 mm. Eine Verschmutzung der Optik kann ebenfalls nicht vom Reflexionskoeffizienten unterschieden werden. Die Detektion einer Stufe ist möglich, die Bestimmung der Bodeneigenschaften jedoch nicht.Due to the functional principle of the sensor, the distance cannot be distinguished from the reflection coefficient. A dark floor at a distance of 50 mm generates the same measurement signal as a lighter floor at a distance of 60 mm. Soiling of the optics cannot be distinguished from the reflection coefficient either. The detection of a step is possible, but the determination of the soil properties is not.
Es ist weiterhin ein Reinigungsroboter bekannt, der die Kante von Teppichen durch Detektoren, die an beiden Rädern des Roboters angebracht sind, erkennt. Die verwendeten Sensoren arbeiten hierbei überwiegend taktil.A cleaning robot is also known which detects the edge of carpets by means of detectors which are attached to both wheels of the robot. The sensors used are mainly tactile.
Taktile Sensoren unterscheiden dabei zumeist zwischen der Nachgiebigkeit des Bodens und können daher nur zur Detektion von weicheren Materialien, wie z. B. Teppichböden, verwendet werden. Eine detailliertere Unterscheidung bspw. zwischen einem Parkett oder Laminatboden ist auf diese Weise nicht möglich.Tactile sensors usually differentiate between the flexibility of the floor and can therefore only be used to detect softer materials, such as. B. carpets can be used. A more detailed differentiation, for example between a parquet or laminate floor, is not possible in this way.
Es ist weiterhin ein Reinigungsroboter bekannt, der eine Unterscheidung zwischen Teppichböden von glattem Untergrund ermöglicht, indem die Drehzahl der Bürste gemessen wird. Aus einer Verminderung der Drehzahl kann auf einen erhöhten mechanischen Widerstand und damit auf einen Teppichboden geschlossen werden.Furthermore, a cleaning robot is known which enables a distinction between carpets and a smooth surface by measuring the speed of the brush. A reduction in the speed can indicate an increased mechanical resistance and thus a carpet.
Die Drehzahl der Bürste hängt jedoch von vielen weiteren Faktoren ab. Neben der Untergrundbeschaffenheit verändern im Wesentlichen Abnutzung und Verschmutzung der Bürste die Drehzahl. Darüber hinaus soll die Bürstendrehzahl entsprechend dem Reinigungszweck einstellbar sein.However, the speed of the brush depends on many other factors. In addition to the Essentially, wear and tear and soiling of the brush change the speed of the surface. In addition, the brush speed should be adjustable according to the cleaning purpose.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 12 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a method according to claim 1 and an arrangement according to claim 12 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and from the description.
Das Verfahren dient zum Ermitteln mindestens einer Information zu einem Boden und wird mit einer Anordnung durchgeführt, die mittels eines Antriebs relativ zu dem Boden bewegt werden kann. Der Antrieb wird mit einem Antriebssignal angesteuert, das einen Verlauf mit einer periodischen Komponente hat, die ein Einprägen eines Drehmoments mit einem periodischen Verlauf auf mindestens ein Antriebsrad der Anordnung bewirkt, wobei dieses Einprägen eine Schwingung der Anordnung bewirkt. Ein die Schwingung charakterisierendes Signal wird dann erfasst und ausgewertet, um die mindestens eine Information zu ermitteln.The method is used to determine at least one item of information about a floor and is carried out with an arrangement that can be moved relative to the floor by means of a drive. The drive is controlled with a drive signal which has a profile with a periodic component which causes a torque with a periodic profile to be impressed on at least one drive wheel of the arrangement, this impression causing the arrangement to oscillate. A signal characterizing the oscillation is then recorded and evaluated in order to determine the at least one item of information.
In einer Ausführungsform des Verfahrens trägt das die Schwingung charakterisierende Signal eine Information zu einer Amplitude der Schwingung. Es kann dann die Amplitude der Schwingung zu dem Verlauf der periodischen Komponente des Antriebssignals in Relation gesetzt werden, um die mindestens eine Information zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann die Amplitude der Schwingung zu einem das eingeprägte Drehmoment charakterisierenden Signal in Relation gesetzt wird, um die mindestens eine Information zu ermitteln.In one embodiment of the method, the signal characterizing the oscillation carries information on an amplitude of the oscillation. The amplitude of the oscillation can then be related to the course of the periodic component of the drive signal in order to determine the at least one item of information. As an alternative or in addition, the amplitude of the oscillation can be related to a signal characterizing the applied torque in order to determine the at least one item of information.
In einer Ausführungsform wird ein Drehmoment mit einem sinusförmigen Verlauf eingeprägt.In one embodiment, a torque is impressed with a sinusoidal profile.
Bei diesem Verfahren wird somit in Ausgestaltung ein Drehmoment, bspw. ein Drehmoment mit einem periodischen z. B. sinusförmigen Verlauf, auf mindestens ein Antriebsrad oder mehrere Antriebsräder bzw. auf eine Antriebsachse eingeprägt und es wird mit einem Sensor, bspw. einem Inertialsensor, die durch die Einprägung bewirkte Schwingung der Anordnung erfasst, wobei eine Amplitude der Schwingung ermittelt wird und anschließend mit dem eingeprägten Drehmoment in Relation gesetzt wird, um die mindestens eine Information zu ermitteln.In this method, a torque, for example. A torque with a periodic z. B. sinusoidal curve, imprinted on at least one drive wheel or several drive wheels or on a drive axle and it is with a sensor, e.g. is set in relation to the applied torque in order to determine the at least one item of information.
Es kann ein Bodenabstand z mit einem optischen Abstandssensor gemessen werden, wobei zusätzlich ein Reflexionskoeffizient R ermittelt wird. Dieser Bodenabstand z kann über
Es kann weiterhin als Information die Nachgiebigkeit G des Bodens bestimmt werden. Dies kann bspw. über
Mit der ermittelten Nachgiebigkeit G und dem ermittelten Reflexionskoeffizienten R kann eine Klassifizierung des Bodens vorgenommen werden, was für den Nutzer von Interesse ist.With the determined flexibility G and the determined reflection coefficient R, a classification of the floor can be carried out, which is of interest to the user.
Es kann außerdem zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden, um verlässliche Ergebnisse zu erzielen.A calibration can also be performed first to achieve reliable results.
Das hierin vorgestellte Verfahren ermöglicht die Erfassung mindestens einer Information zu einem bzw. über einen Boden. Unter Information zu einem Boden werden hierin sowohl dem Boden inhärente Eigenschaften, wie bspw. der Härtegrad, verstanden, die sich auf die Beschaffenheit des Bodens auswirken, als auch der Abstand der Anordnung, mit der das Verfahren durchgeführt wird oder eines Sensors bzw. Abstandssensors in der Anordnung zu dem Boden bzw. der Bodenfläche, was wiederum durch geometrische Eigenschaften des Bodens beeinflusst sein kann.The method presented here enables at least one piece of information to be recorded about or about a floor. Information about a soil is understood here to mean both properties inherent in the soil, such as, for example, the degree of hardness, which relate to the nature of the soil as well as the distance of the arrangement with which the method is carried out or of a sensor or distance sensor in the arrangement to the floor or the floor surface, which in turn can be influenced by geometric properties of the floor.
Die beschriebene Anordnung dient zum Durchführen des Verfahrens und ist bspw. in einem Roboter, insbesondere in einem Haushaltsroboter, integriert bzw. als solcher ausgebildet.The described arrangement is used to carry out the method and is, for example, integrated or designed as such in a robot, in particular in a household robot.
Mit dem vorgestellten Verfahren wird somit in Ausgestaltung die Bestimmung des Abstands zwischen einem Sensor und einem Reflektor, typischerweise dem Boden, ermöglicht, um bspw. Stufen bzw. Abgründe und zusätzlich Bodeneigenschaften zu erfassen. Die erfassten Bodeneigenschaften können zur Klassifizierung des Bodens, d. h. zum Bestimmen des Bodentyps, verwendet werden. So können unterschiedliche Böden bspw. in die Kategorien Teppich-, Kunststoff-, Holz-, und Steinböden eingeteilt werden. In einem eigenen Schritt können die Böden auch ggf. zunächst in die Kategorien hart, d. h. wischbar, und weich, d. h. nicht wischbar, eingeteilt werden.With the presented method, the determination of the distance between a sensor and a reflector, typically the ground, is thus made possible in an embodiment in order to detect steps or abysses and additional ground properties, for example. The recorded soil properties can be used to classify the soil, i. H. to determine the type of soil. For example, different floors can be divided into the categories of carpet, plastic, wood and stone floors. In a separate step, the floors can also, if necessary, first be categorized as hard, i.e. H. wipeable, and soft, d. H. cannot be wiped off, be divided.
Hierzu erfolgt in Ausgestaltung die Bestimmung der Kopplung zwischen einer Lichtquelle und einem optischen Detektor entsprechend einem Reflexlichttaster mit sich kreuzenden Sende- bzw. Empfangsaperturen, wobei durch Variation des Abstands zum Reflektor, typischerweise der Boden, der Abstand als Absolutwert, was für eine Cliff-Detektion erforderlich ist, vom Reflexionskoeffizienten unterschieden werden kann. Die Abstandsvariation wird durch den Antrieb des Roboters angeregt und mittels eines Drehratensensors rückgemessen. Durch Verhältnisbildung zwischen Bewegung und Anregung kann auf die Nachgiebigkeit des Bodens geschlossen werden. Die Information über den Reflexionskoeffizienten und die Nachgiebigkeit kann dann zur Klassifizierung des Bodentyps verwendet werden.For this purpose, the coupling between a light source and an optical detector is determined in accordance with a reflex light scanner with intersecting transmitting or receiving apertures, whereby by varying the distance to the reflector, typically the floor, the distance as an absolute value, which is a cliff detection is required, can be distinguished from the reflection coefficient. The distance variation is stimulated by the robot's drive and measured back by means of a rotation rate sensor. By establishing the relationship between movement and excitation, conclusions can be drawn about the flexibility of the soil. The information about the reflection coefficient and the compliance can then be used to classify the soil type.
Das beschriebene Verfahren und die vorgestellte Anordnung haben, zumindest in einigen der Ausführungen eine Reihe von Vorteilen:
- - Es wird eine genauere Messung des Abstands zum Boden unabhängig von der Reflexionseigenschaft des Bodens ermöglicht. Auf diese Weise können Treppen und Türschwellen besser erkannt werden.
- - Es wird als neue Funktion eine Klassifizierung des Bodentyps mit vorhandenen Sensoren ermöglicht. Daraus ergibt sich eine bessere Gesamtfunktion hinsichtlich eines optimierten Einsatzes der Staubsaugerbürste und einer Sicherstellung, das nur bei dafür geeigneten Böden gewischt wird.
- - Es wird eine kostengünstige Lösung bereitgestellt, da nur im geringem Umfang oder sogar gar keine zusätzliche Hardware erforderlich ist.
- A more precise measurement of the distance to the ground is made possible, regardless of the reflective properties of the ground. In this way, stairs and door thresholds can be better recognized.
- - As a new function, the soil type can be classified using existing sensors. This results in a better overall function with regard to an optimized use of the vacuum cleaner brush and a guarantee that only suitable floors are wiped.
- A cost-effective solution is provided, since only a small amount or even no additional hardware is required.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt einen optischen Abstandssensor nach dem Stand der Technik.1 shows a prior art optical distance sensor. -
2 zeigt in einem Graphen qualitative Signalverläufe des optischen Abstandssensors aus1 in Abhängigkeit des Bodenabstands für zwei unterschiedliche Bodenreflektivitäten.2 shows qualitative signal curves of the optical distance sensor in a graph1 depending on the ground clearance for two different ground reflectivities. -
3 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.3 shows an embodiment of an arrangement for performing the method. -
4 zeigt in einem Graphen qualitative Signalverläufe eines optischen Abstandssensors bei einer Ausführung des vorgestellten Verfahrens.4th shows, in a graph, qualitative signal profiles of an optical distance sensor in an embodiment of the method presented. -
5 zeigt einen Klassifikator.5 shows a classifier.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically on the basis of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
Die am Detektor gemessene Intensität I hängt somit vom Abstand des Reflektors, in diesem Fall dem Abstand zum Boden, und von der Reflektivität bzw. vom Reflexionskoeffizienten R ab. Bei zu dichtem Abstand ist die Kopplung zwischen Sender und Empfänger nahezu null, bei zu großem ebenfalls. Im Bereich, in dem sich die Strahlen kreuzen, ist die Kopplung maximal.The intensity I measured at the detector thus depends on the distance from the reflector, in this case the distance from the ground, and on the reflectivity or the reflection coefficient R. If the distance is too close, the coupling between transmitter and receiver is almost zero, and if the distance is too large, likewise. in the The coupling is maximal in the area in which the beams cross.
Der Antrieb
Im vorderen Teil der Anordnung
Durch geeignete Auslegung der Optik kann eine Sensorcharakteristik entsprechend
Der DC-Anteil des Signals I kann bspw. durch Mittelwertbildung bestimmt werden und entspricht dem Funktionswert l(z,R). Der AC-Anteil kann durch Filterung bzw. Synchrondemodulation mit der Anregungsfrequenz der Antriebsachse bestimmt werden und entspricht nach Division mit der Amplitude der Schwingung dem Funktionswert der Ableitung I'(z,R).The DC component of the signal I can be determined, for example, by averaging and corresponds to the function value I (z, R). The AC component can be determined by filtering or synchronous demodulation with the excitation frequency of the drive axle and, after division by the amplitude of the oscillation, corresponds to the functional value of the derivative I '(z, R).
Funktional kann die Ableitung nach Gleichung 3 beschrieben werden:
Der gesuchte Abstand z kann nach Gleichung 4 berechnet werden:
Der Reflexionskoeffizient R kann anschließend durch Einsetzen in Gleichung 2 oder 3 bestimmt werden.The reflection coefficient R can then be determined by substituting it in equation 2 or 3.
Die Werte zmax und sig aus Gleichung 2 sind von der Ausrichtung der optischen Komponenten des Sensors abhängig und können einer Herstellungsprozessbedingten Schwankung unterliegen.The values zmax and sig from equation 2 are dependent on the alignment of the optical components of the sensor and can be subject to fluctuations due to the manufacturing process.
Diese Werte können bestimmt werden, indem das zuvor beschriebene Verfahren zur Kalibration auf einem Untergrund mit bekanntem Refelxionskoeffizienten R durchgeführt wird. Dieser Kalibrationsuntergrund kann bspw. in die Ladestation der Anordnung bzw. des Roboters integriert sein. Nach der Kalibration kann derselbe Untergrund im weiteren Betrieb des Roboters verwendet werden, um den Verschmutzungsgrad des optischen Sensors zu bestimmen. Die Informationen über den Verschmutzungsgrad des Sensors kann die Identifikation des Bodens unterstützen und verwendet werden, um den Benutzer über eine notwendige Reinigung des Sensors zu informieren.These values can be determined using the calibration method described above a background with a known reflection coefficient R. This calibration background can, for example, be integrated into the charging station of the arrangement or of the robot. After the calibration, the same surface can be used in further operation of the robot in order to determine the degree of soiling of the optical sensor. The information about the degree of contamination of the sensor can support the identification of the floor and can be used to inform the user that the sensor needs to be cleaned.
Das Sensorsystem bzw. das Verfahren ergibt letztendlich Informationen zum Abstand z, zum Reflexionskoeffizienten R und zur Nachgiebigkeit G des Bodens. Der Abstand wird für die Erkennung von Abgründen und Türschwellen bzw. generell für die Identifikation der Bodentopologie verwendet. Der Reflexionskoeffizient und die Nachgiebigkeit werden entsprechend
Der Klassifikator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 1967115 A2 [0014]EP 1967115 A2 [0014]
- DE 69120176 T2 [0015]DE 69120176 T2 [0015]
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2020
- 2020-05-07 DE DE102020205767.2A patent/DE102020205767A1/en active Pending
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