DE10261040A1

DE10261040A1 - Verfahren zur Positions-und Fahrtrichtungsbestimmung von autonomen Fahrzeugen mittels Netzlinien

Info

Publication number: DE10261040A1
Application number: DE10261040A
Authority: DE
Inventors: Joachim Jotzo
Original assignee: Jotzo Joachim Dipl-Ing
Current assignee: Jotzo Joachim Dipl-Ing
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2005-08-04

Abstract

Verfahren zur Positions- und/oder Fahrzeugrichtungsbestimmung in der x-y-Ebene von fahrerlosen, autonomen Fahrzeugen und Robotern (1) beliebiger Radkonfiguration unter Zuhilfenahme von mehreren Gitternetzlinien (12) unterschiedlichster Ausführungsform, deren Überschreiten durch das Fahrzeug (1) von Detektoren (7) erfaßt wird, wobei das Fahrzeug (1) eine beliebige Bahnkurve (13) zwischen den Gitternetzlinien (12) zurücklegen darf und auch den Bereich der Gitternetzlinien für eine beschränkte Sahnkurvenlänge verlassen kann – d.h., daß eine freie Bewegung des Fahrzeugs möglich ist – mit zusätzlichen Fahrzeugsensoren (11) unterschiedlicher Ausführungsform, für eine fahrzeuginterne Positions- und Richtungsbestimmung, mit einem Algorithmus zur Positionsberechnung, welcher im Auswerte- und Steuerungsblock (9) implementiert wird, wobei dieser Algorithmus sowohl die fahrzeuginterne Positionsbestimmung als auch die Positionsneuberechnung mit Hilfe der Gitternetzlinien (12) vornimmt, dadurch gekennzeichnet,
das jeweils 2 nicht-parallele Gitternetzlinien (12) für eine Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung verwendet werden, wobei auch mindestens 2 Detektoren (7) am Fahrzeug (1) notwendig sind.
daß mittels der Fahrzeugsensoren (11) zwischen den...

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung besteht darin ein neues Verfahren für eine kostengünstige, zuverlässige und primär absolute Positions- und Richtungsbestimmung bei beliebigen mobilen, autonomen Fahrzeugen und Robotern aufzuzeigen. Dabei ist ein beliebiger und freier Bahnkurvenverlauf möglich. Die Positionsbestimmung beruht erfindungsgemäß auf einer Struktur von Netzlinien, welche im weiteren Verlauf als Gitternetzlinien bezeichnet werden. Diese Gitternetzlinien können mit aktiv sendenden optischen Landmarken, welche im Raum an hinreichend genau bekannten Punkten fest angebracht werden, realisiert werden. Alternativ kann auch ein entsprechendes optisches oder auch z.B. magnetisches Gitternetzmuster direkt auf dem Boden angebracht werden. Auf dem autonomen Fahrzeug oder Roboter befinden sich dann bei aktiv sendenden Landmarken entsprechende Empfangssensoren, die die Signale aufnehmen und für die Auswertung aufbereiten. Die Berechnung der aktuellen Position erfolgt dann bevorzugt innerhalb des autonomen Fahrzeugs gemäß einem entsprechenden Algorithmus.
Autonome, d.h. fahrerlose und nicht direkt ferngesteuerte Fahrzeuge werden seit vielen Jahren in unterschiedlichen Ausführungsformen für innerbetriebliche Transportvorgänge eingesetzt. Es sollen 2 Anwendungsbeispiele genannt werden, wobei jedoch zahlreiche weitere Anwendungen möglich sind:
Als erstes Beispiel soll ein Industrieroboter benannt werden, welcher sich in einem Raum völlig frei bewegen muß, um Werkzeuge und Material an bekannten Orten aufzunehmen und damit dann Montagearbeiten durchzuführen. Hierzu ist eine 2-dimensionale Positions- und Richtungsbestimmung des gesamten Industrieroboters notwendig, wobei die absolute Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von einem bis zu wenigen cm erfolgen muß, damit z.B. Material aus Regalen an der richtigen Stelle aufgenommen werden kann.
Als zweites Beispiel sei ein autonomes Transportfahrzeug genannt, welches in einer größeren Lagerhalle Pakete z.B. von der Ladefläche eines Lkws zu Regalen transportiert und umgekehrt. Hierzu ist eine Positionsbestimmung relativ zu den jeweiligen Regalen mit einer Genauigkeit von zumindest jeweils einigen cm notwendig. Es kann dabei sinnvoll sein, einen großen Raum in mehrere kleinere, gedachte Raumbereiche aufzuteilen und eine absolute Positionsbestimmung nur jeweils innerhalb dieser kleineren Raumbereiche durchzuführen. Sinnvoll kann dies deshalb sein, weil ein genaues Ausmessen von sehr großen Räumen sehr schwierig sein kann.
Gegenstand dieser Erfindung ist die reine Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung. Die Berechnung von Bahnkurven für die Fahrt zu einer bestimmten Zielposition ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird auch bereits durch den Stand der Tech nik ermöglicht. Dies gilt auch für die Vermeidung von Kollisionen bei Verwendung von mehreren Fahrzeugen.

Nachfolgend soll der Stand der Technik für Positionsbestimmungsverfahren zum Zwecke der Navigation von autonomen Fahrzeugen dargestellt werden, wobei zunächst eine grobe Klassifizierung vorgenommen werden soll:

1. Positionsbestimmung anhand von optischen oder magnetischen Führungslinien, welche in den Boden eingelassen sind, wobei sich das Fahrzeug grundsätzlich entlang dieser Linie bewegt. Diese Verfahren sind bei Verwendung von magnetischen Führungslinien sehr zuverlässig und waren und sind immer noch recht weit verbreitet. Der Installationsaufwand ist jedoch sehr groß. Jedoch ermöglicht dieses Verfahren keine völlig freie Bahnkurvenwahl durch das autonome Fahrzeug. Statt dessen können die vorgegebenen Bahnführungslinien nur mit geringen Abweichungen abgefahren werden.
2. Positionsmeßverfahren welche die zurückgelegte Wegstrecke und auch die Fahrtrichtung messen und die neue Position daraus durch Aufintegration bestimmen. Die Wegstreckenmessung – sog. Odometrie – und Richtungsmessung kann im einfachsten Fall durch entsprechende Radsensoren erfolgen, Präzisere – aber auch recht kostspielige Systeme – (sog. Inertial Navigation oder Trägheitsnavigation) arbeiten demgegenüber mit Beschleunigungsmessern und Kreiseln. Das Grundproblem ist und bleibt dabei, daß ein derartiges Meßverfahren zwangsläufig zu einer Akkumulation der Fehler führen muß. In vielen realisierten Systemen zur Positionsbestimmung wird ein derartiges Meßverfahren jedoch zusätzlich zu einem Meßverfahren zur absoluten Positionsbestimmung eingesetzt, siehe das Buch Navigating Mobile Robots, Systems and Techniques von J. Borenstein, H.R. Everett und L. Feng aus dem A K Peters – Verlag aus Wellesley, Massachusetts, USA aus dem Jahr 1996, Seite 101 ff.
3. Positionsmeßverfahren welche mit aktiven oder passiven Marken arbeiten. Hier sind in dem im letzten Satz erwähnten Buch auf Seite 122 ff. auch Triangulationsverfahren beschrieben worden, welche mit aktiven Landmarken arbeiten.
4. Positionsbestimmung mittels Landkarten. Der mobile Roboter erstellt mit seinen Sensoren ein Abbild seiner Umgebung, d.h. eine lokale Umgebungskarte. Es wird dann ein Vergleich mit der gespeicherten globalen Karte vorgenommen, wodurch eine Positionsbestimmung ermöglicht wird. Sensoren können dabei optische Bildaufnehmer, Ultraschall-, Infrarot- und Mikrowellensensoren sein. Häufig werden auch mehrere Sensoren miteinander kombiniert um eine möglichst zuverlässige Bestimmung der aktuellen Karte zu ermöglichen. Diese Positionsbestimmungsverfahren arbeiten z.T. mit einem hohen Aufwand, sind jedoch zwangsläufig fehleranfällig, wenn die Inneneinrichtung eines Raumes verändert wird oder wenn annähernd gleichartige Räume voneinander unterschieden werden müssen.

Es soll jetzt auf den Stand der Technik von Positionsmeßverfahren mittels aktiver oder passiver Landmarken noch etwas genauer eingegangen werden. In Flugzeugen und Schiffen waren derartige Meßverfahren schon immer die weitverbreitetsten Verfahren zur Positionsbestimmung. Auch bei autonomen Fahrzeugen ist durch Einsatz von aktiven oder passiven Markierungen eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Positionsbestimmung zu erreichen. Zum Einsatz kommen dabei z.T. Ultraschallsensoren und in der überwiegenden Mehrzahl aller Fälle optische Sensoren. Eingesetzt werden aber auch magnetische Markierungen und Sensoren.

1. In der Patentschrift DE-4232171-C1 wird ein Verfahren zur relativen Positionsbestimmung eines fahrerlosen Fahrzeugs beschrieben, welches mit einem odometrischen Meßverfahren und einer Koppelnavigation mit magnetischen Wegmarken arbeitet. Sobald das Fahrzeug während der Fahrt eine Wegmarke erfaßt, wird deren relative Position im Vergleich zur Fahrzeugposition ermittelt, wodurch Positionsfehler der odometrischen Messung erkannt werden können. Dabei erfolgt aber nur eine Bestimmung der x/y-Position und keine Bestimmung des Fahrzeugwinkels, weshalb sich das Fahrzeug nicht frei im Raum bewegen kann, sondern weitgehend einer vorgegebenen Bahnkurve folgen muß.

In DE-19823260-A1 ist demgegenüber eine Weiterentwicklung beschrieben, bei welcher die magnetischen Referenzmarken aus mehreren Einzelelementen aufgebaut sind, wodurch ein kurze, gerade Referenzstrecke definiert wird, welche zur Bestimmung des tatsächlichen Fahrzeugwinkels genutzt werden kann. Verwendet wird zur genauen Erkennung der magnetischen Referenzmarken eine aufwendige kettenförmige Anordnung von über 100 Sensoren in Form von Reed-Kontakten am Fahrzeug. Die magnetischen Referenzmarken müssen in den Boden eingelassen werden, wobei zumindest grundsätzlich eine Verwechselungsgefahr besteht, weil diese grundsätzlich nicht codiert werden können. Das Fahrzeug muß zur Positionsbestimmung auch jeweils diese Referenzmarken anfahren, so daß die Freifahrabschnitte immer wieder unterbrochen werden müssen und die Abweichung bei der Positionsbestimmung durch die Radsensoren nur so groß werden darf, daß die Referenzmarken im Durchmesser von ca. 1 cm noch zuverlässig erkannt werden können.

2. Triangulation

Bei diesem bei mobilen Robotern besonders weit verbreiteten Verfahren, erfolgt die Positionsbestimmung über eine Winkelmessung mit 3 oder mehr aktiven oder passiven optischen Marken.

Für ein derartiges Meßsystem wird i.a. ein rotierender Meßkopf am autonomen Fahrzeug eingesetzt, mit welchem die Winkelmessung vorgenommen wird. Dieser Meßkopf kann aktive oder auch passive optische Sensoren enthalten. Die verwendeten Landmarken können entweder nur Reflektoren, aktive Sender oder auch aktive Detektoren sein, welche wiederum ein Signal senden. Wichtig ist eine möglichst exakte Winkelmessung und bei bewegtem Fahrzeug auch eine hinreichend hohe Drehzahl beim verwendeten Meßkopf. Bevorzugt werden dabei Systeme mit optischen Sensoren eingesetzt, wobei hier in den letzten 15–20 Jahren sehr viele verschiedene Systeme realisiert worden sind und die Mehrzahl der heute kommerziell genutzten Systeme mit rotierenden Laserscannern arbeiten. Es ist dabei allerdings zu berücksichtigen, daß zwischen dem rotierenden Laserscanner und den verwendeten Reflektoren eine Sichtverbindung bestehen muß. An den Reflektoren kann eine entsprechende Codierung angebracht werden, um diese eindeutig zu erkennen. Es kann dabei zumindest bei einem stillstehendem Fahrzeug eine Positioniergenauigkeit im Bereich von einem mm erreicht werden. In der Patentschrift DE-3930109-C1 ist ein Verfahren zur Positions- und Fahrtrichtungsbestimmung beschrieben worden, welches mit mindestens 3 Reflektoren – welche auf einer Geraden mit einem definierten Abstand angeordnet werden müssen – und einem rotierenden Meßkopf arbeitet.

Wenn statt dessen mit aktiven optischen Landmarken gearbeitet wird, muß bei einem Triangulationsverfahren mit einem großen Abstrahlwinkel der optischen Landmarkensender gearbeitet werden. Dieser große Abstrahlwinkel führt unmittelbar zu einer geringen Reichweite im Bereich von wenigen Metern, weil dabei nur der Einsatz von Leuchtdioden – i.a. im Infraxotbereich – möglich ist, welche über eine nur geringe Abstrahlleistung verfügen. Andere leistungsstärkere und kostengünstige Lichtquellen scheiden aus, weil dort eine für die eindeutige Identifizierung der Landmarken zwingend notwendige Modulation – mit einer hinreichend hohen Frequenz – nicht mehr möglich ist.

Wenn mit einem rotierenden Meßkopf gearbeitet wird, ergibt sich zunächst die Problematik, daß das Fahrzeug sich während der Messung weiter bewegt, wodurch die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinträchtigt wird. In DE-19816785-A1 sind Verfahren beschrieben worden, die auch die Bewegung des Fahrzeugs während dieser Messung berücksichtigen, wodurch Ungenauigkeiten bei der Positionsberechnung vermieden werden.

3. Trilateration

Die Trilaterationsmeßverfahren beruhen auf einer Abstandsmessung zwischen dem mobilen Roboter und 3 oder mehr Marken mit definierter und bekannter Position. Die Abstandsmessung wird i.a. über eine Laufzeitmessung realisiert. Das weitverbreitete GPS-Satellitennavigations-System ist das bekannteste Beispiel hierfür. Ein Satellitennavigationsverfahren ist jedoch für die Navigation oder Navigationsunterstützung für autonome Fahrzeuge in Gebäuden ungeeignet, weil dort i.a. kein Empfang der Satellitensignale möglich ist. Auch ist die erreichbare Positioniergenauigkeit im Bereich von einigen Metern viel zu gering.

Darüber hinaus sind jedoch auch entsprechende Meßverfahren mit Ultraschallsensoren realisiert worden, siehe z.B. die Zeitschriftenveröffentlichung An ultrasonic range Sensor array for a robotic fingertip von A.S. Fiorillo, B. Allotta, P. Dario und R. Francesconi in Sens. Actuators (Switzerland), Sensors and Actuators, Band 17, Nummer 1–2, Seiten 103 bis 106 vom Mai 1989. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil einer recht geringen Reichweite und insbesondere den Nachteil der sehr stark schwankenden Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Weitere Probleme können sich durch Lärmstörungen anderer Schallquellen insbesondere im industriellen Einsatz ergeben.

Nachfolgend soll das Grundprinzip der Erfindung einer Positionsbestimmung mit einem Gitternetz erläutert werden. Für die Realisierung eines aktiven optischen Gitternetzes ist es sinnvoll Laser zu verwenden, mit einer punkt- oder einer zu einer senkrechten Linie aufgeweiteten Abstrahlcharakteristik. Alternativ können auf dem Boden entsprechende optische oder magnetische Gitternetzlinienstrukturen angebracht werden. Es sind dann mindestens 2, für eine optimale Realisierung jedoch mindestens 4, Gitternetzlinien notwendig, welche dann von dem Fahrzeug oder Roboter zur Positionsbestimmung genutzt werden. Zumindest jeweils 4 benachbarte Gitternetzlinien sollten in nicht-paralleler Form angeordnet sein. Die 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung von 4 Gitternetzlinien (12) sowie das Beispiel eines völlig frei von Fahrzeug wählbaren Bahnkurvenverlaufs (13) für das Fahrzeug (1). Im Bahnkurvenverlauf (13) erkennt man auch, daß der Bereich der 4 Gitternetzlinien (12) auch – für eine beschränkte Bahnkurvenlänge – vollständig verlassen werden kann. Wenn das Gitternetz mit optischen Lasern aufgebaut wird, muß der Detektor auf der Empfangsseite dabei über den gesamten Bereich von 360° eine Erfassung des Sendesignals ermöglichen, oder es muß mit mehreren Detektoren mit unterschiedlichen Erfassungsrichtungen gearbeitet werden, welche den Bereich von 360° abdecken. Bei auf dem Boden aufgebrachten Gitterlinien erfolgt demgegenüber eine hinreichend präzise optische oder magnetische Abtastung des Bodens durch den Detektor.
In 2 sind unterschiedliche Möglichkeiten für die Realisierung der Räder und Fahrzeugsensoren skizziert. Zunächst kann zwischen 3-rädrigen Fahrzeugen (1) mit einem gelenkten mittleren Rad (3) gemäß Skizze A und 4-rädrigen Fahrzeugen (1) gemäß Skizze B unterschieden werden, wobei aber auch Fahrzeuge mit weiteren Rädern zulässig und denkbar sind, welche sich dann aber zumindest auf ein 4-rädriges Fahrzeug zurückrechnen lassen. An allen Fahrzeugrädern (2) können Sensoren (4) gemäß Skizze A oder B zur odimetrischen Wegstreckenmessung angebracht werden. Weiterhin kann auch eine direkte Messung des Lenkwinkels erfolgen. Für die Bestimmung des Bahnkurvenverlaufs mittels Radsensoren muß die jeweiligen Bahnkrümmung mit berücksichtigt werden. Hierzu kann der Lenkwinkel ausgewertet werden, oder es erfolgt eine Auswertung des Wegstreckenunterschiedes der Räder einer Achse. Als Wegstreckenradsensoren sind optische inkrementale Aufnehmer mit ausreichend hoher Auflösung handelsüblich. Auch ist die zusätzliche Verwendung von speziellen Meßrädern möglich, welche auf den bestehenden Achsen angebracht werden. Für eine mögliche Lenkwinkelmessung sind hochauflösende absolute optische Drehgeber verfügbar, alternativ könnte aber auch z.B. ein Kreisel bzw. ein Gyrosensor zur Lenkwinkelmessung eingesetzt werden, wobei dann aber nur ein minimaler Nullpunktdrift zulässig ist. Alternativ ergibt sich auch die Möglichkeit den Bahnkurvenverlauf durch doppelte Integration mit hinreichend genauen Beschleunigungssensoren (6) gemäß Fahrzeugskizze C zu bestimmen, wodurch sich der unmittelbare Vorteil ergibt, daß das Meßergebnis nicht durch Bodenunebenheiten verfälscht werden kann und der effektiv wirksame Raddurchmesser nicht ermittelt werden muß. Sinnvoll ist dabei ein Beschleunigungsaufnehmer in Richtung der Fahrzeuglängsachse und quer zur Fahrzeuglängsachse. Für eine Bestimmung der Richtung der Fahrzeuglängsachse ist auf dem Fahrzeug dann ein geeigneter Kreisel oder Gyrosensor (5) einsetzbar. Der Antrieb kann grundsätzlich an jeder beliebigen Achse oder jedem einzelnen Rad erfolgen. Die in diesem Abschnitt dargestellten Verfahren entsprechen dabei dem Stand der Technik.
In 3 sind die relevanten Systemkomponenten im Fahrzeug dargestellt. Die Signale der Detektoren oder des Detektors (7) für die Erkennung der Gitternetzlinien werden einer Signalaufbereitung und Datenerfassung (8) zugeführt. Die Positionsberechnung und Positionssteuerung erfolgt dann im Block (9), welcher hierzu auch die Signale der Fahrzeugsensoren (11) erhält. Der Funktionsblock (9) kann aus einer Rechnerkarte bzw. einem Prozessorbaustein mit entsprechenden Schnittstellen-Bausteinen oder -Karten bestehen, mit softwaremäßig realisierten Algorithmen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit einer ausschließlich hardwaremäßigen Realisierung von Block (9), mit einer entsprechenden hardwaremäßigen Umsetzung der Algorithmen. Weiterhin ist natürlich eine Antriebsein richtung, eine Lenkeinrichtung oder eine kombinierte Antriebs- und Lenkeinrichtung notwendig, welche durch den Block (10) dargestellt wird.
Die Positionsbestimmung mittels Gitternetzlinien setzt dabei eine hinreichend genaue Distanzmessung, zwischen dem Überschreiten der einzelnen Gitternetzlinien, voraus. Die eigentliche Positionsberechnung erfolgt dabei zur Korrektur der von den Fahrzeugsensoren gelieferten Werte nur an den Kreuzungspunkten mit den Gitternetzlinien. Dabei sollte die Distanz mit einer Genauigkeit besser als 1 mm bestimmt werden, wenn die Fahrzeugposition mit einer Genauigkeit von 1 cm bestimmt werden soll und zusätzliche Abweichungen durch die Distanzmessung vermieden werden sollen. Für die Durchführung der Distanzmessungen ist keinerlei Vorkenntnis der tatsächlichen Fahrzeugposition oder Fahrzeugrichtung notwendig, die zurückgelegten Distanzen können in einem von Fahrzeug selbst definierten Hilfskoordinatensystem bestimmt werden.
Es ist weiterhin sinnvoll die Fahrzeugdrehrichtung zwischen 2 Lichtgitterlinien i und j als Winkelvorzeichen signum_ji zu bestimmen. Hierzu wird der Winkel der Fahrzeuglängsachse beim Überschreiten der Gitterlinie i und der Gitterlinie j bestimmt und die Differenz beider Winkel gebildet. Ist diese Differenz kleiner als ein sinnvoller Genauigkeitswert, ist das gesuchte Winkelvorzeichen signum_ij gleich Null zu setzen, ansonsten resultiert der Wert +1 oder –1. Dieses Winkelvorzeichen wird benötigt um Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Fahrzeugposition auszuschließen.
Für die Positionsbestimmung sind bei Verwendung von einem einzelnen Empfangsdetektor 4 nicht-parallele Gitternetzlinien notwendig. Dabei wird dann die Position und Fahrzeugrichtung einmalig beim Überschreiten der vierten Gitternetzlinie berechnet. Bis zum Überschreiten der nächsten Gitternetzlinie erfolgt die Positionsberechnung dann ausschließlich über die vorhandenen Fahrzeugsensoren. Das Berechnungsverfahren bietet dabei auch den Vorteil den effektiv wirksamen Raddurchmesser mit zu bestimmen, wobei dies nur bei Verwendung von Radsensoren notwendig ist. Bei 4 nicht-parallelen Gitternetzlinien ergibt sich der in 5 dargestellte Grundverlauf, wobei die jeweiligen Verbindungslinien zwischen den 4 Empfängerpositionen jeweils nur die Distanzen und nicht den Verlauf der tatsächlichen Bahnkurve angeben.
Nachfolgend wird der Berechnungsablauf auch mit den zugehörigen mathematischen Gleichungen bei Verwendung eines einzelnen Empfangsdetektors dargestellt. Für die Fahrzeugpositionen P →₁ bis P →₄ beim Überschreiten der Gitternetzlinien gelten dabei folgende Geradengleichungen, wobei k₁ bis k₄ die Unbekannten sind, alle anderen Formelzeichen entsprechen den Positionen und Abstrahlwinkeln der Gitternetzlinien und ergeben sich unmittelbar aus 5:
Bei der Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung kann hieraus dann folgendes Gleichungssystem mit 5 Unbekannten und 5 Gleichungen abgeleitet werden, wobei k₅ die 5-te Unbekannte angibt, welche dem unbekannten Raddurchmesser entspricht:
Dabei werden mit d₁ = |P2 – P1| bis d₃ = |P4 – P3| sowie mit d₄ = |P4 – P1| und mit d₅ = |P3 – P1| die vom Fahrzeug gemessenen Distanzen mit einem geschätzten Raddurchmesser bei Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung definiert. Die realen Distanzen
ergeben sich dann bei Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung aus
Nur wenn die Wegstreckenmesssung mit Radsensoren bei einem mittleren Antriebsrad bei einem 3-rädrigen Fahrzeug erfolgt, ist sichergestellt das der effektive Raddurchmesser eindeutig definiert ist und keinen Schwankungen bei unterschiedlichen Bahnkrümmungen unterliegt. Wenn die Wegstreckenmessung an mehreren Rädern erfolgt, muß sichergestellt sein, daß sich der wirksame Raddurchmesser an diesen Rädern nur sehr geringfügig voneinander unterscheidet. Bei Verwendung von Beschleunigungssensoren zur Wegstreckenmessung kann k₅ gleich 1 gesetzt werden, somit verbleiben nur noch 4 Unbekannte, die daraus folgende Überbestimmung des nicht-linearen Gleichungssystems vereinfacht deren Lösung. Obiges Gleichungssytem kann erweitert werden, wenn für die Auswertung mehr als 4 Gitternetzlinien verwendet werden, wobei sich dann in jedem Fall ein überbestimmtes Gleichungssystem ergibt.
Die Lösung des obigen nichtlinearen Gleichungssystems wird iterativ – z.B. mit einem gedämpften Newton-Verfahren – oder mit anderen Verfahren zur Lösung von nichtlinearen Gleichungen vorgenommen. Diese mathematischen Verfahren sind Stand der Technik und werden hier nicht weiter dargestellt.
Da es bei ungünstiger Wahl des Startvektors möglich ist, daß das Lösungsverfahren nicht konvergiert, wird ein Abbruch der Iteration durchgeführt, sobald eine größere Anzahl von Iterationen überschritten wurde. Für die Positionsberechnung und auch die verwendeten Simulationsprogramme wird dann folgender optimierter Ablauf empfohlen, welcher aber abgewandelt werden kann, wenn andere oder weitergehende Vorkenntnisse über die Zielpositionen vorliegen:

• Bei Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung wird als Ungenauigkeit bei der Bestimmung des Raddurchmessers ein bestimmter Wert von z.B. 2% zugelassen, der in der Praxis der maximalen Schwankung des Raddurchmessers entspricht. Bei Verwendung von Beschleunigungssensoren zur Wegstreckenmessung entfällt dies natürlich.
• Bei der Wahl der Startwerte wird bei Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung für die nur dann vorhandene letzte Unbekannte k₅ immer mit einem einzigen festen Wert von 1.0 gearbeitet. Bei den 4 weiteren Unbekannten k₁ bis k₄ wird – wenn die Zielpositionen P →₁ bis P →₄ bereits näherungsweise bekannt sind – mit daraus abgeleiteten Startwerten gearbeitet, ansonsten sind mittlere Startwerte zu empfehlen. Wenn keine Konvergenz eintritt, werden zahlreiche andere Startwerte erprobt.
• Eine berechnete Position wird nur dann als gültig akzeptiert, wenn die aus den berechneten Positionswerten ermittelten Distanzen d₁ = |P2 – P1| bis d₅ = |P3 – P1| und zusätzlich d₆ = |P4 – P2| den gemessenen Distanzen – jeweils umgerechnet auf den korrekten Raddurchmesser – mit einer minimalen Abweichung entsprechen. Außerdem muß auch das Winkelvorzeichen signum_ji zwischen den Distanzen bei den berechneten Werten dem gemessenen Winkelvorzeichen entsprechen.
• Wenn das erste Gleichungssystem für die 5 Unbekannten (k₁, k₂, k₃, k₄, k₅) oder die 4 Unbekannten (k₁, k₂, k₃, k₄) eine Lösung gefunden hat, wird anschließend eine Überprüfung der Ergebnisse mittels den ersten 3 und den letzten 3 Gitternetzlinien – mit einem analogen iterativen Lösungsverfahren für jeweils 3 Unbekannte – vorgenommen. Damit kann dann die richtige Bestimmung der 4 Unbekannten k₁ bis k₄ überprüft werden.
• Nur wenn die Überprüfung mit den ersten 3 Gitternetzlinien und den letzten 3 Gitternetzlinien zu demselbigen Ergebnis wie bei den 4 Gitternetzlinien geführt hat, wird das Ergebnis als gültig akzeptiert. Ansonsten wird mit veränderten Startwerten eine erneute Positionsberechnung mit 4 Gitternetzlinien gestartet.

Durch diese aufwendige und mehrstufige Überprüfung wird eine eindeutige Positionsbestimmung zuverlässig sichergestellt.
Nachfolgend wird die Bestimmung der Fahrzeugrichtung beschrieben. Dadurch das nicht nur die eigentlich gesuchte Fahrzeugzielposition P →₄ sondern auch die vorhergehenden Positionen P →₃ bis P →₁ durch das Berechnungsverfahren bestimmt werden, kann auch die tatsächliche Fahrzeugrichtung an der aktuellen Zielposition P →₄ ermittelt werden. Dabei werden zunächst die Positionen P →₁ bis P →₄ über die Fahrzeugsensoren in einem Hilfskoordinatensystem bestimmt. Eine einfache Koordinatentransformation überführt dann die Position P →₄ in die tatsächliche Zielposition P →₄, wobei dann auch das gesamte von den Radsensoren verwendete Hilfskoordinatensystem entsprechend linear verschoben wird. Die gesuchte Fahrzeugrichtung ergibt sich dann dadurch, daß das bereits linear verschobene Hilfskoordinatensystem so gedreht wird, daß sich eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen den von den Fahrzeugsensoren bestimmten Positionen P →₁ bis P →₃ und den berechneten Positionen P →₁ bis P →₃ ergibt. Um dabei eine möglichst große Genauigkeit bei der Berechnung der Fahrzeugrichtung zu erreichen, sollten die für die Berechnung der Koordinatendrehung verwendeten Positionen einen möglichst großen Abstand voneinander aufweisen. Dabei kann man davon ausgehen, daß bei mindestens 1 m Abstand, der für die Berechnung der Koordinatentransformation verwendeten Positionen und einer Genauigkeit der Positionsbestimmung von mindestens ± 1 cm sich eine Genauigkeit bei der Bestimmung der Fahrzeugrichtung von mindestens ± 1.0° ergeben wird.
Wenn mindestens 2 Empfangsdetektoren verwendet werden, ergibt sich die Möglichkeit für eine Positionsbestimmung auch mit nur jeweils 2 Gitternetzlinien, wobei dabei dann aber bei Verwendung von Radsensoren zur Wegstreckenmessung der Raddurchmesser hinreichend exakt bekannt sein muß. Die 6 zeigt eine Anordnung des Fahrzeugs mit 2 Empfangsdetektoren, welche neben dem Antriebsrad eines 3-rädrigen Beispielfahrzeugs angebracht worden sind, wobei aus dieser Abbildung unmittelbar hervorgeht, daß sich die beiden Sensoren 1 und 2 dabei auf unterschiedlichen Bahnkurven als das mittlere Antriebsrad bewegt. Dabei können auch bei diesem Berechnungsverfahren andere Fahrzeuge mit mehr als 3 Rädern verwendet werden.
Beim Überschreiten einer Gitternetzlinie kann jetzt der Fahrzeugwinkel direkt bestimmt werden, hierzu ist die Definition eines Hilfskoordinatensystem denkbar und empfehlenswert. Dieses Hilfskoordinatensystem kann – für das Antriebsrad bei einem realen oder gedachten 3-rädrigen Fahrzeug – dort seinen Ursprung haben, wo einer der beiden Empfangsdetektoren das Überschreiten der ersten Gitternetzlinie erkannt hat, die Berechnung startet auch zu diesem Zeitpunkt. Die Längsachse des Fahrzeugs entspricht dabei zu Beginn der y-Achse, die im Hilfskoordinatensystem beschriebene Bahnkurve gilt für das reale oder gedachte mittlere Antriebsrad des Fahrzeugs. Es wird dann in diesem Koordi natensystem aus dem Bahnverlauf des Antriebsrades der jeweilige Bahnverlauf des ersten und des zweiten Sensors bestimmt. Somit sind in diesem Hilfskoordinatensystem auch die Positionen der beiden Empfangsdetektoren zu jedem Zeitpunkt bekannt. Sobald dann auch einer der beiden Empfangsdetektoren das Überschreiten dieser ersten Gitternetzlinie zum zweiten Mal erkannt hat, endet der erste Schritt des Berechnungsablaufs. Aus den beiden Positionen der Empfangsdetektoren beim Erkennen dieser Gitternetzlinie kann dann unmittelbar die Richtung dieser ersten Gitternetzlinie im Hilfskoordinatensystem erkannt werden. Da auch die tatsächliche Richtung der jeweiligen Gitternetzlinie im vorgegebenen Raumkoordinatensystem bekannt ist, kann somit grundsätzlich die tatsächliche Richtung des Fahrzeugs bestimmt werden, wobei mögliche Mehrdeutigkeiten dabei aber noch aufgelöst werden müssen.
Zunächst soll also dargestellt werden, wie sich die Positionen der beiden Empfangsdetektoren – aus der Position des Antriebsrades – bestimmen lassen. In 6 sind als Beispiel 2 Empfangsdetektoren neben dem realen oder gedachten mittleren Antriebsrad angebracht. Dabei können 2 oder auch mehr Empfangsdetektoren an beliebigen anderen Stellen des Fahrzeugs angebracht werden, wobei bei der Plazierung der Empfangsdetektoren auf eine möglichst gute Empfangs- oder Erkennungsmöglichkeit der Gitternetzstrahlen oder der am Boden angebrachten Strukturen zu achten ist. Die nachfolgenden Gleichungen beziehen sich somit zunächst nur auf das angegebene Beispiel. Sie sind aber als Grundlage für andere Anordnungen der Empfangsdetektoren zu verwenden. Unter Zuhilfenahme der Fahrzeugsensoren kann im vorgegebenen Hilfskoordinatensystem zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Fahrzeugwinkel φ_a(s)' und die Position x(s)' sowie y(s)' bestimmt werden. Beim Start der Berechnung im Koordinatenursprung gilt für die Position
des Empfangsdetektors – welcher die Gitternetzlinie erkannt hat – im Fall des ersten, linken Empfangsdetektors:
und wenn der zweite, rechte Empfangsdetektor die Gitternetzlinie erkannt hat:
Die Position
beim Erkennen dieser ersten Gitternetzlinie zum zweiten Mal ergibt sich dann für den ersten Detektor unmittelbar zu:
und im Fall, daß der zweite Detektor die Gitternetzlinie zum zweiten Mal erkannt hat:
Wichtig ist bei der Anordnung der beiden Empfangsdetektoren, daß die beiden Empfangsdetektoren einen möglichst großen Abstand aufweisen, um sicherzustellen, daß eine möglichst große Genauigkeit bei der Bestimmung des gesuchten Fahrzeugwinkels erreicht wird. Der gesuchte Winkel der Gitternetzlinie φ'_s im vorgegebenen Hilfskoordinatensystem ergibt sich dann direkt zu:
Wenn
gilt, nimmt φ'_s automatisch einen Wert von 90° an. Auch wenn bei bestimmten, gekrümmten Bahnkurven nur ein einzelner Empfangsdetektor 2-mal hintereinander die Gitternetzlinie überschreitet, können obige Gleichungen verwendet werden. Wenn jedoch die Gitternetzlinie nur berührt wird oder die Distanz zwischen den beiden Schnittpunkten mit der Gitternetzlinie für eine ausreichend korrekte Winkelmessung zu klein sein sollte, können obige Gleichungen nicht verwendet werden. Es muß dann einfach gewartet werden, bis das Fahrzeug eine Gitternetzlinie derart überschreitet, daß die Berechnung des Winkels φ'_s erfolgreich durchgeführt werden kann.
Für die Bestimmung der realen Fahrzeugrichtung φ_f im tatsächlichen Raumkoordinatensystem – welche der Fahrzeuglängsachse entspricht – beim erstmaligen Überschreiten der betreffenden Gitternetzlinie durch einen der beiden Empfangsdetektoren, gilt dann folgender einfacher Zusammenhang:
wobei
den Winkel der jeweiligen abgestrahlten Gitternetzlinie – bezogen auf die x-Achse des Raumkoordinatensystems – angibt. Obige Gleichung entspricht einer Drehung der beiden Koordinatensysteme, dieser Zusammenhang wird durch die 7 nochmals verdeutlicht.
Um die Drehung des Hilfskoordinatensystems in das Raumkoordinatensystem immer in allen Fällen durchführen zu können, muß zu φ_f teilweise noch ein Wert von 180° dazu addiert werden. Diese Mehrdeutigkeit bei der Bestimmung der realen Fahrzeugrichtung kann aber im weiteren Berechnungsablauf aufgelöst werden. Wenn die einzelnen Gitternetzlinien eindeutig codiert sind, besteht die Möglichkeit zunächst mit beiden Fahrzeugrichtungen weiter zu rechnen, sobald die zweite Gitternetzlinie erreicht ist, läßt sich unterscheiden, welche der beiden Fahrzeugrichtungen richtig ist. Eine alternative Lösungsmöglichkeit besteht darin, daß man eine grobe Vorkenntnis der realen Fahrzeugrichtung aus den bisherigen Berechnungen und der Fahrzeugstartposition besitzt oder daß man mit einem einfachen magnetischen Sensor eine zusätzliche, grobe Richtungsbestimmung für die Fallunterscheidung vornimmt. Auch wenn ein Kreisel oder Gyrosystem am Fahrzeug vorhanden ist, wird diese Fallunterscheidung i.a. problemlos durchführbar sein.
Sobald einer der beiden Empfangsdetektoren nun das Überschreiten der zweiten Gitternetzlinie erkennt, kann die eigentliche Positionsberechnung durchgeführt werden, wobei hier davon ausgegangen wird, daß der Raddurchmesser für diese Berechnung hinreichend genau bekannt ist, wenn die Wegstreckenmessung mit Radsensoren ausgeführt wird.
Hierzu ist die zurückgelegte Wegstrecke l_x in x-Richtung und l_y in y-Richtung im Raumkoordinatensystem zwischen den beiden Gitternetzlinien zu bestimmen. Zurückgelegte Wegstrecke ist dabei die Wegstrecke in x- und y-Richtung der zugehörigen Empfangsdetektoren und nicht des realen oder gedachten mittleren Antriebsrades. Hierzu wird zunächst die Position über die Radsensoren oder die Beschleunigungssensoren im Hilfskordinatensystem bestimmt. Es erfolgt dann eine Koordinatendrehung sobald die reale Fahrzeugrichtung φ_f bekannt ist. Es können dann die zurückgelegten Streckenabschnitte r_x und r_y in x- und y-Richtung im realen Koordinatensystem zunächst für das Antriebsrad durch Wegstreckenmessung im Fahrzeug angegeben werden.
Diese Berechnung beginnt sobald bei der ersten Gitternetzlinie das Überschreiten dieser Gitternetzlinie zum zweiten Mal erkannt wurde und endet sobald bei der zweiten Gitternetzlinie erstmalig das Überschreiten detektiert wurde. Dabei kann jeweils einer der beiden Empfangsdetektoren für diese Erkennung in Frage kommen, so daß sich insgesamt 4 verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für die Bestimmung der gesuchten Abstände l_x und l_y ergeben, von denen jedoch nur eine der 4 Möglichkeiten weiter verwendet wird, gemäß dem im vorhergehenden Satz genannten Kriterium. Bei den angegebenen Indizes i und j der Abstände
und
gibt i die Nummer des Empfangsdetektors an, welcher die erste Gitternetzlinie zum zweiten Mal erkannt hat und j gibt die Nummer des Empfangsdetektors an, welcher die zweite Gitternetzlinie zum ersten Mal erkannt hat. Bei den Winkeln der Fahrzeuglängsachse im realen Raumkoordinatensystem gibt
den Winkel zum Zeitpunkt an, wo die erste Gitternetzlinie zum zweiten Mal erkannt wurde und
beschreibt den Winkel wo die zweite Gitternetzlinie zum ersten Mal erkannt wurde:
Der hard- oder softwaremäßig realisierte Berechnungsalgorithmus entscheidet dann eigenständig, mittels einfachen Fallunterscheidungen, welche der obigen Gleichungen für die Berechnung von l_x und l_y verwendet werden muß, gemäß den oben angegebenen Kriterien. Zur Verdeutlichung sind die Zusammenhänge in der 8 dargestellt.
Die entsprechende Berechnung der Zielposition P →'₂ – zunächst für den jeweiligen Empfangsdetektor – ergibt sich aus einfachen Geradengleichungen, so daß im Ergebnis für die Positionsberechnung folgende beide Gleichungen zu verwenden sind:
Abschließend muß dann nur noch die Position P →'₂ des jeweiligen Empfangsdetektors 1 oder 2 zum Zeitpunkt der Erkennung der zweiten Gitternetzlinie auf die Position des Antriebsrades P →₂ umgerechnet werden, hierfür gilt für den Empfangsdetektor 1 dann:
und entsprechend für den Empfangsdetektor 2:
Das hier dargestellte Berechnungsverfahren kommt ohne nichtlinearen Gleichungen aus, so daß auf ein iteratives Lösungsverfahren mit der Vorgabe von Startwerten verzichtet werden kann. Insbesondere erhält man auch immer eine eindeutige Lösung wenn sich beide Gitternetzlinien nicht kreuzen. Dies bedeutet, daß die Gitternetzlinien für die praktische Anwendung grundsätzlich kreuzungsfrei angeordnet werden sollen, wobei aufeinanderfolgende Gitternetzlinien einen möglichst großen Winkel zueinander aufweisen sollten, damit sich Fehler bei der Distanzmessung möglichst gering auswirken.
Im Rahmen dieser Erfindung soll nachfolgend auch ein Verfahren zur Referenzmessung zur Bestimmung des Raddurchmessers vorgestellt werden. Dies ist bei Verwendung von nur 2 Gitternetzlinien sinnvoll, wenn mit Radsensoren zur Wegstreckenmessung gearbeitet wird. Die nachfolgenden Überlegungen beziehen sich dabei auf einen inkrementalen Wegstreckensensor, können aber auch auf absolut messende Wegstreckensensoren übertragen werden.
Die Grundidee für eine Referenzmessung besteht darin, daß hierfür 2 zusätzliche parallele Gitternetzlinien in einem exakten Abstand von z.B. 1 m verwendet werden. Dabei wird die Lenkung auf einen Lenkwinkel von 0° möglichst exakt fest eingestellt, d.h., daß sich das Fahrzeug auf einer geraden Linie für den Zeitraum der Referenzmessung bewegt. Beim Überschreiten der ersten Gitternetzlinie wird der Fahrzeugwinkel bestimmt, beim Überschreiten der zweiten Gitternetzlinie kann dann die zurückgelegte Streckenlänge und auch der Fahrzeugwinkel noch ein zweites Mal bestimmt werden. Über einfache trigonometrische Beziehungen kann dann die tatsächlich zurückgelegte Streckenlänge bestmmt werden, woraus über die Zahl der Indeximpulse des Drehimpulsgebers am Antriebsrad unmittelbar die effektiv wirksame Länge der einzelnen, geraden Wegstreckenabschnitte Δs_i pro Indeximpuls bestimmt werden kann. Der eigentliche Raddurchmesser ist dabei nicht notwendigerweise zu berechnen. Die 9 zeigt dabei den grundsätzlichen Ablauf. Bei den beiden unbekannten Strecken d_d und l_e ist die Impulszahl des Drehimpulsgebers beim Antriebsrad bekannt, d.h. es gilt:
Für die trigonometrischen Beziehungen gilt:
Hieraus folgt für den gesuchten Wert Δs_i:
Auch wenn sich das Fahrzeug während der Referenzmessung nur näherungsweise auf einer geraden Linie bewegt und der Lenkwinkel somit größer ist als die oben angegebenen 0.1°, kann obiger Ansatz als Grundlage für ein erweitertes Berechnungsfahren verwendet werden.
Nachfolgend soll darauf eingegangen werden, wie obige Berechnungsverfahren optimal kombiniert werden können. Es wurden in obigen Abschnitten 2 Berechnungsverfahren angegeben, die für die Positionsbestimmung geeignet sind. Um eine möglichst gute Genauigkeit bei der Positionsbestimmung zu erreichen, ist dabei eine Kombination aus beiden Berechnungsverfahren möglich, wobei dann mit 4 Gitternetzlinien und mit mindestens 2 Detektoren gearbeitet wird. Bei 2 verwendeten Detektoren liefert das Berechnungsverfahren mit 2 Gitternetzlinien dann 6 mögliche Lösungen, das Berechnungsverfahren mit 4 Gitternetzlinien liefert dann 2 mögliche Lösungen und bei Bedarf gleichzeitig auch den aktuellen Raddurchmesser. Die 8 Lösungen, welche sich somit insgesamt ergeben, beziehen sich zwar zunächst auf z.T. unterschiedliche Zielpositionen, können aber problemlos auf eine gemeinsame Zielposition umgerechnet werden, in dem die dann verbleibenden Teilwegstrecken durch die Positionsmessung mittels Fahrzeugsensoren bestimmt werden. Eine Verknüpfung der 8 Einzelmessungen ist durch eine einfache Mittelwertbildung möglich, eine verbesserte Genauigkeit bietet jedoch i.a. die Verknüpfung der Einzelergebnisse über ein geeignetes Kalman-Filter höherer Ordnung.
Die geeignete Anordnung der Gitternetzlinien kann dabei entweder nur in einem oder mehreren abgetrennten Raumbereich(-en) oder im gesamten Raum erfolgen, wobei im letzten Fall bei größeren Räumen mehr als 4 Gitternetzlinien sinnvoll sind. Für eine geeignete Anordnung der Gitternetzlinien können folgende Richtlinien aufgestellt werden:

• Bei kleineren bis mittelgroßen Räumen ist es sinnvoll mindestens 4 nicht-parallele Gitternetzlinien weitgehend gleichmäßig über den Raum zu verteilen. Wenn aktive optische Sender – i.a. in Form von Laserlichtquellen – verwendet werden ist es dabei natürlich notwendig, daß die Gitternetzlinien nur in Ausnahmefällen durch Gegenstände, Personen oder andere bewegte Objekte verdeckt werden können. Ansonsten sind weitere Laserlichtquellen für die Erzeugung der Gitternetzlinien zu empfehlen. Wenn mit Wegstreckensensoren gearbeitet wird sind dabei entsprechend geringe, relevante Bodenunebenheiten wichtig.
• Bei deutlich größeren Räumen ist es grundsätzlich sinnvoll, diesen Raum in mehrere Teilbereiche aufzuteilen, die sich u.U. auch überlappen können. Dies ist sinnvoll, weil ein einzelnes Koordinatensystem bei größeren Abmessungen nicht mehr praktikabel ist, da bereits eine minimale Verdrehung des Koordinatensystems zu entsprechend großen Fehlern bei der x- oder y-Position führt. Daraus ergeben sich entsprechende Schwierigkeiten bei der Positionierung der aktiven Landmarken und unrealistisch hohe Anforderungen an die Genauigkeit bei der Bestimmung des Fahrzeugwinkels.
• Innerhalb eines Raumes oder Raumbereiches kann es sinnvoll sein, die Gitternetzlinien nur in einem abgegrenzten Teilbereich zu plazieren. Dieser Bereich wird dann vom Fahrzeug regelmäßig angefahren, um eine erneute Positions- und Fahrzeugwinkelbestimmung vorzunehmen. Dieser abgegrenzte Teilbereich kann dann nur für diese Positionsbestimmung reserviert werden, um sicherzustellen, daß keine Verdeckung einzelner Lichtstrahlen erfolgen kann. Außerhalb dieses Teilbereichs erfolgt dann die Positionsbestimmung über eine reine Positionsmessung mittels Fahrzeug Sensoren. Sinnvoll ist eine derartige Vorgehensweise insbesondere dann, wenn mit Wegstreckensensoren gearbeitet wird und im restlichen Raumbereich größere Bodenunebenheiten vorhanden sind oder wenn dort mit Abschattungen von Gitternetzstrahlen zu rechnen wäre. Es wird in diesem Fall dann eine maximale Wegstreckenlänge und eine maximal zulässige Entfernung definiert nach der das Fahrzeug zum abgetrennten Bereich mit den Gitternetzlinien zurückkehren muß, um eine erneute Positionsbestimmung durchzuführen.

Nachfolgend soll auf die Kriterien für die Auswahl und Ansteuerung der Lichtquellen für die Erzeugung der Gitternetzlinien eingegangen werden. Bevorzugt sind aus Kostengründen Halbleiterlaser einzusetzen, denkbar und einsetzbar sind jedoch alle anderen Lichtquellen, welche einen näherungsweise punkt- oder linienförmigen Lichtstrahl zur Verfügung stellen.
Zunächst ist bei den einzusetzenden Laserlichtquellen festzulegen, welche Laserklasse – unter Berücksichtigung etwaiger Personengefährdungen – zulässig ist. Wenn sich auch Personen in dem Raumbereich aufhalten können, wo sich die Gitternetzlinien befinden oder die Lichtstrahlen noch direkt wahrgenommen werden können, wird man i.a. nur max. mit der Laserklasse 2 arbeiten können, wobei eine höhere Laserklasse auch einer größeren Personengefährdung entspricht. Die Laserklasse 2 bedeutet dabei, daß das menschliche Auge durch einen Reflex bei Sichtkontakt mit dem Laser das Augenlid schließt, bevor durch den Laser das Auge geschädigt werden kann. Dadurch können derartige Räume auch ohne Schutzbrille betreten werden, wenn entsprechende Warnhinweise angebracht sind. Dennoch sollte auch dann ein permanenter Sichtkontakt mit dem Laser ausgeschlossen sein. Insbesondere darf man auch bei der Laserklasse 2 nur mit sichtbarem Licht arbeiten, damit das menschliche Auge den Laserstrahl erkennen kann. Grundsätzlich ist dabei der Einsatz der Gitternetzstrahlen auf der Höhe der Antriebsachse von Vorteil, um zusätzliche Fehler durch Bodenunebenheiten zu vermeiden. Derartig tiefliegende Gitternetzstrahlen sind dann. natürlich auch für den Personenschutz vorteilhaft, weil man davon ausgehen kann, daß zumindest bei einer stehenden oder sitzenden Person kein direkter Augenkontakt mit dem Laserstrahl möglich sein wird.
Wenn man beim Fahrzeug eine Vorkenntnis der Fahrzeugposition voraussetzt, kann auf eine zusätzliche Codierung der Gitternetzlinien verzichtet werden. Diese Vorkenntnis über die Fahrzeugposition wird man in der Praxis dann voraussetzen können, wenn man davon ausgeht, daß das Fahrzeug immer an etwa der gleichen Position startet und dabei auch der Fahrzeugstartwinkel mit einer geringen Abweichung, der gleiche ist. Dies wird dann der Fall sein, wenn das Fahrzeug eine definierte Parkposition besitzt, wo z.B. die Antriebsakkus aufgeladen werden. Es ist dann noch zu überprüfen, welche Fremdlichteinflüsse auftreten werden, i.a. wird man aber davon ausgehen können, daß Fremdlichtstörungen am Empfangsdetektor deshalb nicht zu Beeinträchtigungen führen werden, weil die Lichtintensität der Laserstrahlen auch nach einigen Metern noch erheblich größer ist, als mögliche Fremdlichtstörungen. Ansonsten kann man natürlich auf der Sendeseite auch mit einer entsprechend konstanten Modulation der Laserlichtquellen arbeiten, z.B. mit einer Modulationsfrequenz von 100 KHz, um Fremdlichtstörungen auszuschließen. Es ist dabei aber zu beachten, daß hierdurch deutlich erhöhte Kosten auf Sende- und Empfangsseite auftreten.
Sollte eine Codierung der Gitternetzlinien notwendig sein, kommt hierfür sowohl eine pulsförmige Modulatian als auch eine Modulation mit unterschiedlichen festen Frequenzen – bis zu einigen 100 KHz – in Frage. Bei der Pulsmodulation muß jedoch sichergestellt sein, daß sich die Gitternetzlinie – auch für einen ausreichend langen Zeitraum – im Erfassungsbereich des Detektors aufhält. Hierzu muß die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit v_max und die minimale Breite b_min des Laserstrahls – in Fahrzeugrichtung – bekannt sein, wobei davon ausgegangen wird, daß der Empfangsbereich des Detektors erheblich schmaler ist als die Breite des Laserstrahls. Die maximal zulässige Pulswiederholdauer t_p liegt dann bei:
z.B. gilt für v_max = 5 m/sek und b_min = 1 mm ein max. Wert für die gesamte Pulswiederholdauer von hier 100 μsek, was durchaus zu realisieren ist. Der Faktor 0.5 in obiger Gleichung ergibt sich dadurch, daß im ungünstigsten Fall bis zu knapp 2 Pulsfolgen eingelesen werden müssen, wenn der Empfänger den Beginn der ersten Pulsfolge gerade zeitlich verpaßt hat. Notwendig ist bei der Pulscodierung natürlich eine eindeutige Start- und Endekennung. Ansonsten könnte man für die Codierung der Gitternetzlinien eine einfache Binärcodierung verwenden, wobei die Codes – welche man für die Start- und Endekennung benötigt – dabei dann nicht verwendet werden dürfen. Mit zusätzlich eingefügten Pausenzeiten kann dann auch zu jedem Zeitpunkt eine eindeutige Erkennung sichergestellt werden.
Heute verfügbare Laserdiodenmodule bieten unterschiedliche Strahlprofile. Sinnvoll ist dabei entweder ein elliptisches Strahlprofil oder eine linienförmige Austrittsform mit einer senkrecht einzustellenden Austrittslinie.
Es soll jetzt auf die Auswahl und Anordnung der Empfangsdetektoren bei Verwendung von optischen Gitternetzlinien welche mit optischen Sendern realisiert werden – eingegangen werden. Bei der Auswahl der Empfangsdetektoren ist zunächst darauf zu achten, daß das spektrale Empfindlichkeitsmaximum dort liegt, wo auch die Wellenlänge der gesendeten Signale liegt. Eine möglichst geringe spektrale Empfindlichkeit in allen anderen Wellenlängenbereichen ist für die Vermeidung von Fremdlichtstörungen dabei von Vorteil, u.U. kann dabei auch noch ein entsprechendes Filter vor dem Detektor eingesetzt werden. Als eigentlicher Empfangsdetektor kommen dann entsprechende Photodioden mit direkt nachgeschaltetem Verstärker in Frage. Wesentlich ist jedoch, daß die Empfangsdetektoren einen Erfassungsbereich von insgesamt 360° aufweisen müssen. Da dies mit einem einzelnen Empfangsdetektor nicht direkt zu erreichen ist, ist ein spitz verlaufender Kegel als Reflektor denkbar, so daß die Lichtstrahlen in einem Punkt – oberhalb oder unterhalb des Reflektors – gebündelt werden. Die 10 verdeutlicht das Prinzip. Die genaue Konstruktion des Reflektors ist natürlich abhängig von der Größe der verwendeten Photodiode, welche sich direkt ober- oder unterhalb des Reflektors befindet. Dabei ist eine Photodiode mit einer möglichst geringen Empfangsfläche von Vorteil. Sobald nennenswerte Bodenunebenheiten auftreten, müssen die Reflektoren der Empfangsdetektoren etwa auf der Höhe der Antriebsachse angebracht werden, um zusätzliche Fehler durch das dann vorhandene Verkippen der Fahrzeuglängsachse zu vermeiden. Eine mögliche Abschattung durch die Räder des eigenen Fahrzeugs kann dabei dann natürlich auch auftreten. Um derartige mögliche Abschattungen zu umgehen, kann es sinnvoll sein, mehrere Empfangsdetektoren in einem hinreichenden Abstand hintereinander anzuordnen, hiermit sollte sich zumindest eine Abschattung durch die Räder des eigenen Fahrzeugs vermeiden lassen. Diese Abschattungsproblematik wird aber dann nicht auftreten, wenn die Gitternetzlinien nur in einem abgetrennten Raumbereich angeordnet sind und das Fahrzeug diesen abgetrennten Bereich nur in einer bestimmten Richtung als einzelnes Fahrzeug durchfährt.
Wenn die Signale der einzelnen Sender nicht codiert sind, kann man die von den Detektoren empfangenen Signale nach einer Vorverstärkung und einer möglichen Schwellwertbildung direkt einer Signalerfassungskarte des Auswerterechners oder einer separaten Auswertefahrzeug im Fahrzeug zuführen. Bei einer Codierung der Sendesignale muß diese natürlich ebenso ausgewertet werden.
Nachfolgend soll auf die Realiserung von Gitternetzlinien mit passiven optischen Reflektoren eingegangen werden. Geeignet sind hierfür Klebestreifen oder auch gezeichnete Striche. Diese müssen mit einer entsprechenden Präzision auf dem Boden angebracht werden. Hierzu können Lineale, Schablonen oder auch Laserlichtquellen verwendet werden. Dabei muß eine nennenswerte Verschmutzung aber vermieden werden. Auch ein möglicher Abrieb ist zu berücksichtigen. Darüber hinaus muß unbedingt sichergestellt werden, daß sich nicht an anderen Stellen des Bodenbelags Strukturen befinden, welche mit den aufgezeichneten Gitternetzlinien verwechselt werden können. Für die Detektoren sind Realisierungsvarianten denkbar, welche mittels Reflexlichtschranken oder ähnlicher Anordnungen arbeiten, wobei die Detektoren – so weit dies möglich ist – möglichst nahe am Boden angebracht werden. Grundsätzlich erkennen die Detektoren den Hellikeits- oder auch Farbunterschied der aufgebrachten Gitternetzlinien, wobei der Detektor eine Beleuchtung der erfaßten Stelle vornimmt. Wenn die Detektoren in einem gewissen Abstand zum Boden angebracht werden müssen, wird i.a. auch ein einfaches optisches Abbildungssystem notwendig sein.
Wenn die Realisierung der Gitternetzlinien auf magnetischer Basis erfolgen soll, bieten sich aktive Strukturen an, welche selbst ein Magnetfeld aussenden, oder passive Strukturen welche über eine entsprechend hohe Permeabilität verfügen. Wenn aktive Strukturen verwendet werden, bieten sich hierfür auch stromdurchflossene Strukturen wie Drähte an. Damit kann dann grundsätzlich ein magnetisches Gleich- oder Wechselfeld erzeugt werden, wobei im 2-ten Fall auch eine Codierung der Gitternetzlinien erfolgen kann. Alternativ können natürlich auch dünne, stabförmige Permanentmagnete verwendet werden. Als Detektoren sind alle Magnetfeldsensoren geeignet, welche ein Magnetfeld hinreichend präzise und punktgenau ausmessen können, diese Detektoren sollten dabei möglichst nahe am Boden angebracht sein, um eine präzise Auswertung sicherzustellen. Wenn passive magnetische Strukturen verwendet werden sollen, sind hierfür schmale, stabförmige Materialien mit einer höheren Permeabilität geeignet. Als Detektor ist hier eine Spule denkbar, deren Induktivität durch die Permeabilität des Materials der Gitterlinie verändert wird. Dabei sind dann auch mehrere Spulen denkbar, deren Gegeninduktiviät entsprechend verändert wird. Um diese Induktivitätsänderungen jedoch zuverlässig zu erfassen, ist eine Bodennähe dabei in besonderem Maße wichtig.

1. J. Borenstein, H.R. Everett und L. Feng: Navigating Mobile Robots, Systems and Techniques A K Peters – Verlag, Wellesley, Massachusetts, USA, 1996
2. A.S. Fiorillo, B. Allotta, P. Dario und R. Francesconi: An ultrasonic range sensor array for a robotic fingertip in Sens. Actuators (Switzerland), Sensors and Actuators, Seiten 103 bis 106, Mai 1989, Band 17, Nummer 1–2.

Claims

Verfahren zur Positions- und/oder Fahrzeugrichtungsbestimmung in der x-y-Ebene von fahrerlosen, autonomen Fahrzeugen und Robotern (1) beliebiger Radkonfiguration unter Zuhilfenahme von mehreren Gitternetzlinien (12) unterschiedlichster Ausführungsform, deren Überschreiten durch das Fahrzeug (1) von Detektoren (7) erfaßt wird, wobei das Fahrzeug (1) eine beliebige Bahnkurve (13) zwischen den Gitternetzlinien (12) zurücklegen darf und auch den Bereich der Gitternetzlinien für eine beschränkte Sahnkurvenlänge verlassen kann – d.h., daß eine freie Bewegung des Fahrzeugs möglich ist – mit zusätzlichen Fahrzeugsensoren (11) unterschiedlicher Ausführungsform, für eine fahrzeuginterne Positions- und Richtungsbestimmung, mit einem Algorithmus zur Positionsberechnung, welcher im Auswerte- und Steuerungsblock (9) implementiert wird, wobei dieser Algorithmus sowohl die fahrzeuginterne Positionsbestimmung als auch die Positionsneuberechnung mit Hilfe der Gitternetzlinien (12) vornimmt, dadurch gekennzeichnet, das jeweils 2 nicht-parallele Gitternetzlinien (12) für eine Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung verwendet werden, wobei auch mindestens 2 Detektoren (7) am Fahrzeug (1) notwendig sind. daß mittels der Fahrzeugsensoren (11) zwischen den beiden verwendeten Gitternetzlinien eine Bestimmung der zurückgelegten Entfernung in x- und y-Richtung erfolgt, nachdem bereits mittels der ersten Gitternetzlinie eine Bestimmung der momentanen Fahrzeugrichtung vorgenommen wurde, daß eine Positionsneuberechnung nur beim Überfahren der Gitternetzlinien durch das Fahrzeug (1) erfolgt und die dabei ermittelten Werte zur Korrektur der von den Fahrzeugsensoren (11) fahrzeugintern bestimmten Positionsdaten verwendet werden, daß die fahrzeuginterne Positionsberechnung sowohl mit odometrischen Meßverfahren für die Bestimmung der Radwegstrecken mit der Option einer zusätzlichen Lenkwinkelmessung als auch mit den Mitteln der reinen Trägheitsnavigation erfolgen kann, daß – bei Verwendung von odometrischen Meßverfahren für die Bestimmung der Radwegstrecken und somit der Entfernung in x- und y-Richtung – der effektive Raddurchmesser hinreichend genau bekannt sein muß, daß unterschiedliche Prinzipien für die technische Realisierung der Gitternetzlinien (12) und deren Erkennung mittels Detektoren (7) möglich sind, wobei insbesondere optische und magnetische Gitternetzstrukturen und entsprechende denkbar sind.
Navigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 4 nicht-parallele Gitternetzlinien (12) für die Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung verwendet werden, wobei jetzt bereits 1 Detektor (7) am Fahrzeug (1) grundsätzlich ausreichend ist, daß jetzt mittels der Fahrzeugsensoren (11) zwischen allen verwendeten Gitternetzlinien nur die zurückgelegte Distanz bestimmt wird und dann abschließend die Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung erfolgt, daß jetzt eine reine Distanzmessung mittels der Fahrzeugsensoren (11) zwischen den einzelnen jeweils verwendeten Gitternetzlinien – welche für die aktuelle Positionsberechnung herangezogen werden – erfolgt und dann abschließend eine Berechnung der Position und Fahrzeugrichtung erfolgt, daß jetzt – bei Verwendung von odometrischen Meßverfahren für die Bestimmung der Radwegstrecken – auch eine automatische Bestimmung des Raddurchmessers – innerhalb definierten Grenzen – durchgeführt werden kann, daß eine zusätzliche Bestimmung der Fahrzeugdrehrichtung zwischen den für die Positionsberechnung verwendeten Gitternetzlinien (12) mit den Fahrzeugsensoren (11) erfolgen kann, um damit besonders zuverlässig Mehrdeutigkeiten bei der Fahrzeugpositionsneuberechnung zu erkennen.
Navigationssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verfahren für die Positions- und Fahrzeugrichtungsbestimmung – mit der Zielsetzung dabei eine möglichst hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen – miteinander kombiniert werden, somit mindestens 4 nicht-parallele Gitternetzlinien (12) und mindestens 2 Detektoren (7) am Fahrzeug (1) verwendet werden.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere in einem größeren Raum (14) mehrere Bereiche (15) mit einer Gitternetzstruktur verwendet werden, welche zur Positionsneuberechnung vom Fahrzeug (1) angefahren werden.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die späteren Fahrzeugzielpositionen in Lernfahrt(-en) vom Fahrzeug (1) nacheinander angefahren werden, und somit deren absolute Position nicht ausgemessen werden muß, sondern vom Fahrzeug (1) selbst ermittelt werden muß.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 5, bei denen optische Gitternetzlinien mit aktiven optischen Sendern – wie Lasern – verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor nur ein einzelner optischer Empfänger (16), wie z.B. eine Photodiode, verwendet wird und oberhalb oder unterhalb des optischen Empfängers ein Reflektor (17) angebracht wird, der eine Erfassung des Sendestrahls aus jeder beliebigen Richtung im 360°-Winkel ermöglicht. Der optische Reflektor (17) wird dabei in Form eines kegel- oder kegelstumpfförmigen Körpers oder mit einem näherungsweise kegel- oder kegelstumpfförmigen Körper, bevorzugt aus ebenen Einzelflächen realisiert.
Navigationssystem nach vorhergehendem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor (16) mehrere direkt nebeneinander liegende optische Empfänger (18), z.B. ein Array aus 4 Photodioden – siehe hierzu 11 – verwendet werden, um damit eine verbesserte Erkennung der Gitternetzlinie zu ermöglichen.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitternetzlinienstrukturen mittels reflektierenden, schmalen Strichen, Bändern o.ä auf dem Boden realisiert werden und die Erfassung dann mit optischen Detektoren erfolgt, welche den Boden sowohl in kleinen Abschnitt beleuchten und abtasten und somit den Hellikeits- oder Farbunterschied erkennen.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitternetzlinienstrukturen (12) mittels linienförmiger Lichtwellenleiter auf dem Boden realisiert werden, wobei die Lichtwellenleiter derart gestaltet sind, daß sie einen Teil des eingekoppelten Lichts nach außen abgeben. Zur Codierung und zur Vermeidung von Fremdlichtstörungen kann das eingekoppelte Licht moduliert werden, wobei bevorzugt eine Modulation der Amplitude vorzunehmen wäre. Als optischer Detektor ist dann z.B. eine Photodiode mit einer entsprechenden Abildungsoptik geeignet, welche den Boden abtastet.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitternetzstukturen mittels linien- oder stabförmiger Strukturen – wie z.B. stromdurchflossenen Drähten – welche ein konstantes oder codiertes, d.h. geeignet moduliertes Magnetfeld aussenden, realisiert werden. Dabei erfolgt die Detektion der Gitternetzlinien (12) jetzt durch magnetische Detektoren (7), die das Maximum der magnetischen Feldstärke hinreichend schnell erkennen.
Navigationssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitternetzstukturen mittels linien- oder stabförmiger Strukturen, bestehend aus einem hochpermeablen Material, wie z.B. mu-Metall realisiert werden und die Detektion der Gitternetzlinien (12) durch das Erkennen des Maximums der magnetischen Induktivität einer passenden Detektorspule erfolgt.
Navigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von odometrischen Meßverfahren für die Bestimmung der Radwegstrecken eine Bestimmung des effektiv wirksamen Raddurchmessers mit 2 weiteren Gitternetzlinien – welche vom Fahrzeug überfahren werden – vorgenommen wird, welche in einem hinreichend genau definierten Abstand parallel angeordnet werden.