DE19950848C2

DE19950848C2 - Selbstfahrende Vorrichtung mit berührungsloser Objekterfassung und Objektvermessung

Info

Publication number: DE19950848C2
Application number: DE1999150848
Authority: DE
Inventors: Hendrik Rust
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: DE19950848A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform, auf der eine Einheit zur berührungslosen Objekterfassung und Objektvermessung vorgesehen ist, mit einem die Wärmestrahlung des Objektes erfassenden Detektor, dessen Detektorsignale unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahren auswertbar sind.

Stand der Technik

Vorstehend bezeichnete gattungsgemäße Vorrichtungen werden, da sie über eine eigenbewegliche Arbeitsplattform verfügen auch als mobile Roboter bezeichnet und werden bevorzugt zu Aufgaben eingesetzt, die für den Menschen aus Gründen seiner eigenen Sicherheit nicht zu bewerkstelligen sind. Ferner können dem Menschen durch den Einsatz mobiler Roboter monotone, langweilige, zeitintensive oder sehr anstrengende Aufgaben abgenommen werden.

Gründe für die Vermeidung von Arbeiten in Bereichen, in denen sich der Mensch zum Schutze seiner eigenen Sicherheit nicht aufhalten sollte, sind gegeben auf Grund räumlicher Unzugänglichkeiten, biologischer oder chemischer Kontaminationsgefahren, Strahlenbelastungen oder potenziellen Gefahren, wie Explosionen oder Feuer.

Die Einsatzorte, an denen mobile Roboter eingesetzt werden, reichen von industriellen, öffentlichen und privaten Gebäuden bis zu industriellen Anlagen und den so genannten Outdoor-Bereichen.

Auch die Aufgaben, die mobile Roboter in diesen Umgebungen erfüllen müssen, reichen von Inspektions-, Reinigungs- und Messaufgaben bis hin zu Reparaturarbeiten und Lasttransporten. Bei den Einsätzen der mobilen Roboter herrschen oftmals auf Grund verschiedener Einsatzgründe extreme Umgebungsbedingungen, bei denen die Luft der Arbeitsumgebung bspw. mit Aerosolen kontaminiert ist. Dabei kann es sich um Nebel, Rauch, Staub oder Gase handeln. Die Aerosole können die Sichtweite bis auf wenige Meter oder gar auf Zentimeter verringern.

Da die mobilen Roboter für diese Anwendungen oftmals teleoperiert sind, bspw. über bloßen Sichtkontakt oder über ein Videokamerabild von einem Bediener gesteuert werden, ist das Manövrieren des mobilen Roboters bei diffusen oder opaken Sichtverhältnissen stark eingeschränkt oder unter widrigen Umständen nicht möglich.

Zu den derzeit bekannten, mobilen Robotersystemen zählen z. B. teleoperierte Manipulatorfahrzeuge, die zu Zwecken der Brandbekämpfung, der technischen Hilfeleistung sowie zu Zwecken der Inspektion von Gegenständen aller Art sowie von Kanalsystemen eingesetzt werden. Diese sind zumeist mit Videokameras zur räumlichen Navigation und Objekterfassung ausgestattet.

Desweiteren sind Überwachungssysteme für z. B. Museen bekannt, die in Form eines mobilen Roboters mit entsprechender Sensorik im Gebäude umherfahren.

In der japanischen Druckschrift JP 11128381 A ist ein Feuerlöschroboter beschrieben, der in einem abgetrennten und verschlossenen Raum in Tunneln neben Hydranten stationierbar ist. Im Falle eines Feuers wird die Tür des Raumes automatisch geöffnet, der Roboter fährt anschließend ferngesteuert aus einem Überwachungsraum zur Brandstelle, um mit der Brandbekämpfung zu beginnen. Das Fahrzeug ist mit Infrarotsensoren ausgestattet.

In der US-Druckschrift US 5446445 wird ein mobiles Detektionssystem zur Detektion von Feuer-, Gasleckagen und anderen abnormalen Bedingungen in Häusern oder Bürogebäuden beschrieben. Dieser mobile Roboter ist mit Sensoren ausgestattet, die bei Detektion eines abnormalen Zustandes in der Umgebung über Funk erreichbare Einheiten, wie Feuerwehr, Polizei u. a. verständigen können.

In der japanischen Druckschrift JP 08294544 A ist ein System zur Brandbekämpfung in Tunneln, bestehend aus mehreren Löschrobotern, beschrieben. Mit Hilfe von Infrarotkameras, die im Tunnel vorgesehen sind, kann ein Feuer detektiert werden und die in der Nähe des Feuers stationierten Löschroboter aktiviert werden. Diese nähern sich über eine, im Tunnel angebrachte Schiene dem Feuer zur Brandbekämpfung.

In der Offenlegungsschrift DE 195 116 157 A1 sind ein Verfahren sowie eine Löschanlage zur Brandbekämpfung vorgeschlagen. Mit dem Verfahren zur Brandbekämpfung insbesondere mittels eines Flugfeldlöschfahrzeuges, eines ferngesteuerten Löschroboters oder dgl., unter Einsatz elektronischer Hilfsmittel wie einer Optik mit Datenfernübertragung zu einem Monitor, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der neben einer Optimierung löschtaktischer Bewegungsabläufe insbesondere die Zielerfassung des Brandherdes derart vorgenommen werden kann, dass eine möglichst geringe Menge an Löschmittel nutzlos vergeudet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass sowohl Sensoren zur Erfassung von Daten über die Schadens- bzw. Brandstelle als auch Sensoren zur Erfassung der Fahrzeugbewegung des Löschfahrzeugs eingesetzt werden, die ihre Daten einem Rechner zur Steuerung der Löschmittelabgabe zuführen.

Die bekannten, mobilen Überwachungssysteme, die zur Brandbekämpfung eingesetzt werden, sind teleoperiert und da sie über kein Sensorsystem zur Umgebungserfassung in diffusen oder opaken Sichtverhältnissen verfügen, ist ihre Einsetzbarkeit, insbesondere an Orten mit starker Rauchentwicklung stark begrenzt. Überdies werden diese Systeme meist erst in die Nähe des Einsatzortes gebracht und bewegen sich dann selbstfahrend teleoperiert zum Einsatzort. Auf Grund der teleoperierten Navigation des Fahrzeugs wird dessen Vorwärtsgeschwindigkeit bewusst niedrig gehalten, um möglichst kollisionsfrei zum Einsatzort zu gelangen. Dies jedoch ist wiederum sehr zeitintensiv bis das Fahrzeug an den bestimmungsgemäßen Ort gelangt, infolgedessen steigt mit fortschreitender Zeit auch die Schadenshöhe bei Katastrophen wie Brände.

Aus der JP 10-140336 ist ein Verfahren entnehmbar bei dem Detektorsignale eines die Wäremstrahlung erfassenden Detektors ausgewertet werden, wobei das Objekt mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird, wodurch sich an jenen Oberflächenstellen des Objektes, die vom Elektronenstrahl getroffen werden, eine Temperaturänderung einstellt, die vom Detektor erkannt und deren räumliche Zuordnung relativ zum Detektor ermittel wird. Elektronenstrahlen sind in Ihrer Erzeugung aufwendig und können überdies aus Verträglichkeitsgründen nicht überall bedenkenlos eingesetzt werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform, auf der eine Einheit zur berührungslosen Objekterfassung sowie Objektvermessung vorgesehen ist, mit einem die Wärmestrahlung des Objektes erfassenden Detektor, dessen Detektorsignale unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahrens auswertbar sind, derart weiterzubilden, dass eine schnellere und genauere Detektion von Wärmequellen möglich ist, unabhängig von den atmosphärischen Verhältnissen, innerhalb derer sich die selbstfahrende Plattform aufhält. Insbesondere soll eine zuverlässige Bestimmung der räumlichen Positionierung der Plattform in Bezug auf Wärmestrahlung emittierende Objekte, wie beispielsweise Brandherde, in kürzester Zeit möglich sein, sodass im Falle von Brandherden diese gezielt auch bei diffusen oder opaken Sichtverhältnissen, wie sie sich bei starker Rauchentwicklung einstellen, gezielt bekämpft werden können. Das zur berührungslosen Objekterfassung bzw. -vermessung auf der selbstfahrenden Plattform vorgesehene Messsystem soll mit möglichst einfachen Mitteln, die robust und kostengünstig sind, betrieben werden können, sodass bei hoher Zuverlässigkeit präzise Daten über die räumliche Relativlage zwischen der selbstfahrenden Plattform und zu vermessenden Objekten gewonnen werden können und zugleich Aussagen über die Temperaturverteilung der Messumgebung gemacht werden können. Der Einsatz der Vorrichtung soll insbesondere zu Zwecken der Überwachung dienen, so beispielsweise für die Diebstahlüberwachung und zugleich auch für die Branderkennung und -bekämpfung.

Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform gemäß Anspruch 1 derart ausgebildet, dass auf der Plattform eine Ausbringeinheit vorgesehen ist, vermittels der ein Massenstrom auf das Objekt aufbringbar ist, der eine Temperaturänderung an der mit dem Massenstrom beaufschlagten Objektoberfläche bewirkt. Der Detektor ist dabei derart auf der Plattform sowie relativ zur Ausbringeinheit angeordnet, sodass der Detektor die Temperaturänderung am Objekt erfasst und unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahrens eine Bestimmung der Entfernung zwischen Detektor und dem Ort der Temperaturänderung am Objekt ermöglicht.

Durch die aktive Einflussnahme auf das thermische Abstrahlungsverhalten der zu erfassenden Objekte, bedingt durch die gezielte Beaufschlagung der Objekte mit einem Massenstrom, dessen Temperatur sich von der Eigentemperatur des Objektes unterscheidet, vermag der Detektor eine künstlich hervorgerufene Kontrasterhöhung im Wärmebild der aktuell erfassten Objektumgebung zu registrieren, wodurch Nutzsignale gewonnen werden können, die im Rahmen einer Auswertung unter Zugrundelegung der geometrischen Zusammenhänge gemäß der Triangulation gezielt ausgewertet werden können, um aus diesen die genaue Entfernung zwischen dem Detektor und der Objektoberfläche, an der die Temperaturänderung hervorgerufen worden ist, zu ermitteln. Um eine Auswertung der Messsignale nach dem Triangulationsverfahren durchführen zu können, ist es erforderlich, die geometrische Relativlage zwischen Detektor und Ausbringeinheit genau festzulegen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nicht nur ein für die selbstfahrende Plattform höchst genau arbeitendes Navigationssystem geschaffen, mit dem sich die Plattform sicher und schnell ohne Kollision mit Objekten fortbewegen kann, sondern sie dient zugleich auch als ein großflächiges Beobachtungs- bzw. Erfassungssystem für die gesamte, die selbstfahrende Plattform unmittelbar benachbarte Umgebung.

So ist es möglich, den Massenstrom mit unterschiedlichem Strahlquerschnitt aus der Ausbringeinheit, die vorzugsweise als Düsenvorrichtung ausgebildet ist, auf die zu erfassenden Objekte auszutragen. Sollen die in der Umgebung vorhandenen Objekte in ihrer weitgehend gesamten räumlichen Ausbildungsform erfasst werden, so wird vorzugsweise der Massenstrom mit einem aufgeweiteten Massenstromquerschnitt aus der Ausbringeinheit ausgebracht. Soll hingegen die Entfernung zu Objekten genau bestimmt werden, so erfolgt ein Austrag des Massenstromes mit möglichst geringem Strahlquerschnitt bzw. in Form eines linien- oder punktförmigen Strahlquerschnittes.

Schließlich ist es auch möglich, die Förderleistung, mit der die Ausbringeinheit den Massenstrom ausbringt, derart zu regeln, sodass im Falle beispielsweise einer Brandbekämpfung der erfasste Brandherd mit erhöhter Förderleistung des Massenstromes durch diesen selbst gelöscht werden kann.

Somit vereinen sich im Fall einer Brandbekämpfung drei wesentliche Funktionen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich eine genaue Vermessung von Abständen zwischen Objekten in der Umgebung und der Vorrichtung selbst, eine Erfassung der gesamten Raumstruktur von Objekten sowie eine gezielte Brandbekämpfung durch entsprechende Steigerung der Förderleistung des Massenstromes.

Durch die Verwendung einer Infrarotkamera als Detektor, deren Wellenlängensensibililtät zwischen 8 und 14 µm liegt, wodurch eine Detektion von Wärmequellen bzw. geringsten Temperaturunterschieden an Objekten auch bei schlechten optischen Sichtverhältnissen möglich ist, kann als weitere vierte Funktion der Vorrichtung ein Wärmeabbild der Umgebung gewonnen werden, an dem Temperaturunterschiede in der Objektumgebung in hochaufgelöster Form entnommen werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist als mobiler Roboter zur Überwachung von Räumen, insbesondere für den Einsatz zur Branderkennung bzw. Brandfrüherkennung sowie der Bekämpfung von Brandherden sowie auch der Überwachung hinsichtlich Veränderungen in Räumen, beispielsweise die bei Einbruch oder Fehlfunktionen beim Betrieb von Maschinen vorkommen können, einsetzbar.

Natürlich lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Funktionalität erweitern. So ist es möglich, Sensoren zur Erfassung chemischer Parameter, wie beispielsweise Atmosphärenchemie der Umgebung, auf die selbstfahrende Plattform zu integrieren. Ebenso können, die Navigation unterstützende Systeme, wie Radar- oder Ultraschalleinheiten, zusätzlich auf die Plattform integriert werden. Auch kann es in bestimmten Einsatzgebieten von Vorteil sein, dass auf der selbstfahrenden Plattform Manipulationseinheiten, wie beispielsweise Roboterarme, vorzusehen sind, die gezielte mechanische Manipulationen in der Umgebung oder an den jeweils erfassten Objekten ausführen können.

Wie vorstehend bereits erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Brandbekämpfung, in dem ein detektierter Brandherd mit dem von der Ausbringeinheit ausgestossenen Massenstrom gelöscht wird. Der Massenstrom selbst kann dabei aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium bestehen, das in der Lage ist, Brände gezielt einzudämmen. Beispiele hierfür sind Wasser, Stickstoff oder so genannte CO₂-Pellets, die sowohl eine gezielte Markierung an den Objekten zur Objekterfassung bzw. -vermessung hervorrufen, zum anderen jedoch auch als geeignete Löschmedien dienen.

Claims

1. Vorrichtung mit einer selbstfahrenden Plattform, auf der eine Einheit zur berührungslosen Objekterfassung und Objektvermessung vorgesehen ist, mit einem die Wärmestrahlung des Objektes erfassenden Detektor, dessen Detektorsignale unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahren auswertbar sind, und mit einer Ausbringeinheit, vermittels der ein Massenstrom auf das Objekt aufbringbar ist, der eine Temperaturänderung an der mit dem Massenstrom beaufschlagten Objektoberfläche bewirkt, wobei der Detektor derart auf der Plattform und relativ zur Ausbringeinheit angeordnet ist, dass der Detektor die Temperaturänderung am Objekt erfasst und unter Zugrundelegung des Triangulationsverfahrens eine Bestimmung der Entfernung zwischen Detektor und dem Ort der Temperaturänderung ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit derart ausgebildet ist, dass ein Massenstrom aus Festkörpern oder aus einer Flüssigkeit oder aus einem Gas zielgerichtet auf das Objekt aufbringbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit derart ausgebildet ist, dass als flüssiger Massenstrom Wasser, als gasförmiger Massenstrom CO₂ sowie andere kühlbare oder erhitzbare, jedoch nicht brennbare Gase und als fester Massenstrom CO₂-Pellets oder Eiskristalle einsetzbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit eine Düsenvorrichtung ist, die in Abhängigkeit der Entfernung zwischen dem Objekt und der Düsenvorrichtung oder in Abhängigkeit von einer bestimmten Messaufgabe den Massenstrom gebündelt oder aufgeweitet auf das Objekt aufbringt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinheit den Massenstrom punkt-, linien- oder flächenförmig auf das Objekt derart aufbringt, dass bei geringen Abständen zwischen Objekt und Ausbringeinheit der Massenstrom mit einem großen Strahlquerschnitt und bei großen Abständen mit einen geringen Strahlquerschnitt ausgebracht wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eine Infrarotkamera ist, die die Wärmestrahlung des Objektes erfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkamera im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm einsetzbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor und die Ausbringeinheit in einem definierten räumlichen Bezug zueinander stehend, vorzugsweise vertikal übereinander, angebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattform ein Vorratsbehälter vorgesehen ist, in dem ein der Ausbringeinheit über eine Zuleitung zur Verfügung stehendes Medium enthalten ist, das in Form des Massenstromes auf das Objekt aufbringbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Plattform eine Sende- und Empfangseinheit vorgesehen ist, über die ein Datenaustausch mit einer Auswert- und Steuereinheit vornehmbar ist, die räumlich von der Plattform getrennt vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstfahrende Plattform ein mobiles Robotersystem ist.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Erfassung und Vermessung warmer oder heißer Objekte, die durch das Aufbringen des Massestromes gezielt abgekühlt werden.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Erfassung und Vermessung kühler oder kalter Objekte, die durch das Aufbringen des Massenstromes gezielt erhitzt werden.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Bekämpfung eines Feuerherdes durch gezieltes Ausbringen des Massenstromes auf den Feuerherd.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der selbstfahrenden Plattform zusätzlich Sensoren zur Erfassung chemischer Parameter, die Navigation der Plattform unterstützende Systeme und/oder Manipulationseinheiten vorgesehen sind.

16. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung der geometrischen Umgebung um die selbstfahrende Plattform.

17. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung von Temperaturdifferenzen in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform.

18. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Erfassung chemischer Parameter in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform.

19. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Durchführung gezielter Manipulationen in der Umgebung der selbstfahrenden Plattform durch Vorsehen einer als Robotergreifarm ausgebildeten Manipulatoreinheit.