DE2364002C2 - Orientierungsvorrichtung für ein Gerätesystem, das sich zur Bearbeitung einer Fläche auf dieser bewegt - Google Patents

Description

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Die Erfindung be-ziehi sich auf eine Orientierungsvorrichtung für ein Gerätesystem, das sidv anhand ermittelter, einen durch Wände und/oder Hindernisse begrenzten Raum geometrisch beschreibender Daten in diesem Raum zur Bearbeitung einer vorgegebenen Fläche bewegt.

Einen anschaulichen Anwendungsfall eines solchen Gerätesystems bildet eine Kehr- und Staubsaugmaschine, die beispielsweise die Bodenfläche eines Büros oder einer Werkstätte zu Reinigungszwecken befährt

Im Zuge der allgemeinen Automatisierung ist es wünschenswert, ein derartiges Gerätesystem zu schaffen, das in der Lage ist seine Bearbeitungsfahrten durch einen oder mehrere Räume weitgehend selbsttätig, d. h. ohne dauernde Überwachung und Steuerung durch eine menschliche Bedienungsperson durchzuführen und dabei an Wände oder in den Räumen befindliche Hindernisse nicht oder zumindest nur mit so geringer Wucht anzustoßen, daß keine Beschädigungen entste- « hen. Außeidem ist es wünschenswert daß das Gerätesystem sämtliche Bereiche der zu bearbeitenden Bodenfläche befährt d.h. also, nicht irgendwelche Winkel oder Ecken in dem zu reinigenden Raum unbearbeitet läßt. Auch soll es in möglichst geringem Maße Schleifen durchlaufen, d. h. während eines Arbeitsganges möglichst wenig zu bereits bearbeitenden Bereichen ein zweites oder gar öfteres Mal zurückkehren.

t)ie Erfüllung dieser Forderungen wird nach dem Stand der Technik in sehr unterschiedlicher Weise versucht:

So ist es z.B. bekannt, in die zu befahrende Bodenfläche Leiterdrähte einzulegen, durch die ein Wechselstrom fließt Das Gerätesystem ist mit die Lage der Leiterdrähte erfassenden Sensoren ausgestattet und wird so gesteuert, daß es diesen Leiterdrähten wie einer Schiene folgt. Das Gerätesystem selbst hat keinerlei Kenntnis von der Konfiguration des zu befahrenden Räume?. Statt dessen ist die Führungsschiene von vornherein so angelegt, daß sie um alle permanent vorhandenen Hindernisse herum und in alle Bereiche der zu bearbeitenden Fläche führt. Die den Raum geometrisch beschreibenden Daten werden hier also vor Installation der Anlage ermittelt und durch die jeweilige Linienfünrjng der Leiterdrähte bei deren Verlegung im Boden fest und nahezu unveränderlich »gespeichert«. Daß diese bekannte Anordnung nur mit sehr großem Aufwand an eine geänderte Raumkonfiguration angepaßt werden kann und es überdies nicht ermöglicht, kurzfristig in die Bewegungsbahn des Gerätesystems geratende Hindernisse zu berücksichtigen, liegt auf der Hand.

Diese Nachteile sucht die DE-OS 20 20 220 dadurch zu vermeiden, daß die Bodenfläche eines Raumes durch ein Gerätesystem befahren wird, das nicht an eine Führungsschiene gebunden ist Das Gerätesystem ertastet mit Hilfe von Sensoren, wie z. B. Mikroschaltern in seiner Bewegungsbahn befindliche Wände oder Hindernisse und weicht diesen durch eine Änderung seiner Fahrtrichtung aus. Dabei werden den umgebenden Raum allerdings nur partiell beschreibende Daten vom Gerät erfaßt und kurzfristig gespeichert, die eine globale Orientierung nicht ermöglichen.

Damit ist das bekannte Gerätesystem zwar flexibel gegenüber geänderten Raumkonfigurationen und vermag auch auf nur momentan in seiner Bewegungsbahn befindliche Hindernisse zu reagieren. Da es aber den Raum, in dem es sich befindet nicht -7<ennt«, muß es in seinen Bewegungsmöglichkeiten sehr stark eingeschränkt werden, wenn es nicht völlig plan- und ziellos auf der zu bearbeitenden Fläche umherirren soll. Daher ist gemäß der DE-OS 20 20 220 vorgesehen, daß das Gerätesystem einer Fahrstrategie, d. h. fest vorgegebenen Verhaltensregeln folgt die festlegen, in welcher Weise das Gerätesystem auf die von ihm ertasteten Informationen zu reagieren hat Diese Fahrstrategie beinhaltet z. B, daß das Gerätesystem dann, wenn es bei seiner geradeaus gerichteten Vorwärtsfahrt auf eine im Weg stehende Wand oder ein Hindernis trifft auf der soeben befahrenen Bahngeraden bis zum Anfangspunkt dieser Geraden zurückkehrt und sich dann in Abhängigkeit davon, wie viele seiner an der Stirnseite angebrachten Tastfühler bei der Begegnung mit der Wand oder dem Hindernis betätigt wurden, um eine bestimmte Strecke senkrecht zu dieser Bahngeraden versetzt um dann erneut parallel zu der zuvor durchlaufenden Geraden vorwärts zu fahren usw. Auch beinhaltet diese Fahrstrategie Regeln, die es ermöglichCii, daß das Gerätesystem in hinter Hindernissen liegende »tote« Bereiche einfahren und die dort befindlichen Bodenflächen bearbeiten kann.

Hierdurch ist es zwar möglich, zumindest bei einfachen Raumkonfigurationen zu erreichen, daß sämtliche Bereiche der Bodenfläche bearbeitet werden; es wird aber gleichzeitig in Kauf genommen, daß das Gerätesystem, das nur in einer Hauptfahrtrichtung vorwärts und rückwärts fahren und sich in einer hierzu senkrechten Richtung nach links oder rechts seitlich versetzen kann, über jeden Punkt der Bodenfläche mindestens zweimal hinwegfährt

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Orientierungsvorrichtung für ein Gerätesystem der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht daß sich das Gerätesystem ohne Orientierungsverlust in dem zu bearbeitenden Raum frei und nach beliebig eiiiprogrammierbaren Verhaltensregeln bewegen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 zusammengefaßten Merkmale.

Dem erfindungsgemäßen Lösungskonzept liegt die Überleg!.¹::? zugrunde, daß ein verschiedenste Räume zur Bearbeitung der Bodenfläche selbsttätig befahrendes Gerät dann optimal, d. h. günstiger und effizienter als herkömmliche Gerätesvsteme arbeiten kann, wenn

zwei Voraussetzungen gegeben sind:

a) Das Gerätesystem muli Informationen über den es umgebenden Raum in Form von die momentane geometrische Konfiguration dieses Raumes möglichst global und im Detail beschreibenden Daten besitzen und

b) es muß seinen jeweiligen momentanen Standort in dem so beschriebenen Raum möglichst genau kennen.

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Die Erfüllung tier Bedingung a) verleiht dem Gerätesystem die erforderliche Flexibilität, um auch kurz vor dem Einfahren in den Kaum oder sogar während des Befahrens des Raums auftretende Änderungen der Raumkonfiguration zu erfassen und zu be: "icksichtigen.

Die Verwirklichung der Forderung b) eröffnet dagegen die Möglichkeit, daß das Gerätesystem beim Antreffen eines Hindernisses anhand vnruebbarer Regeln sein Fahrverhalten in sinnvoller Weise ändert.

Das Gerätesystem gemäß der Erfindung erhält dadurch jeweils die neuesten, den momentanen Zustand eines zu bearbeitenden Raums beschreibenden Informationen, daß es ohne Vorkenntnisse über diesen Raum gespeichert zu haben in den Raum einfährt und zunächst in einer Orientierungsphase, in der keine Bearbeitung des Bodens stattfindet, mit Hilfe seiner Entfernungsmeßeinrichtung, rundum eine Vielzahl von Entfernungen zwischen dem Standort des Gerätesystems und Punkten der es umgebenden Wände und Hindernis-Oberflächen mißt. Da das vorgesehene elektro-optische Meßgerät außerordentlich schnell und sehr genau mißt, ist es möglich, innerhalb eines kurzen Zeitraums von jeder der das Gerätesystem umgebenden Wand- bzw. Hindernisflächen, die im folgenden zusammenfassend kurz als Begrenziingsflächen bezeichnet werden, eine ganze Reihe von Punkten anzumessen, leder Entfernungsmeßwert eines Begrenzungsflächen-Punktes bildet zusammen mit dem Winkel, unter dem er bezüglich einer beispielsweise durch einen in das Gerätesystem eingebauten Kreisel festgelegten Nullrichtung gewonnen wurde, die Polarkoordinaten des betreffenden Meßpunktes bezogen auf ein gerätefestes Polarkoordinatensystem, die gegebenenfalls auch in Kartesische Koordinaten umgerechnet werden können.

Mit Hilfe der Koordinatendarstellung der einzelnen Meßpunkte kann der Koordinatenrechner auf einfache Weise die Gleichungen der Geraden aufstellen, die die jeweils auf einer Begrenzungsfläche liegenden Meßpunkte miteinander verbinden. Für jede Begrenzungsfläche ergibt swh also eine Reihe von Geradengleichungen, die im Falle einer ebenen Begrenzungsfläche miteinander identisch sind und im Falle einer gekrümmten Begrenzungsfläche deren Verlauf durch einen Polygonzug annähern. Da wegen der hohen Arbeitsgeschwindigkeit des elektrooptischen Meßgerätes die einzelnen Meßpunkte sehr nahe beieinanderliegen, ist die durch die Polygon-Annäherung erzielbare Genauigkeit für die Anwendungsbereiche, in denen das erfindungsgemäße Gerätesystem zum Einsatz kommen soll, bei weitem ausreichend.

Mit den bisher beschriebenen Mitteln verschafft sich also das erfindungsgemäße Gerätesystem ein hinreichend genaues, aktuelles, d. h. den momentanen Zustand wiedergebendes Bild des für ihn unmittelbar »einsehbaren« Teils des zu bearbeitenden Raumes. Es spielt also keine Rolle, ob seit dem letzten Bearbeitungsvorgang, bei dem das Gerätesystem diesen Raum befahren hat.

irgendwelche neuon Himk-rnisst: in den R;ium gebrach! oder alte Hindernisse au·; ihm entfernt wurden. Fs können sogar sich bewegende Gegenstände oder Personen in dem Raum vorhanden scm; aufgrund der schnellen permanent aufeinanderfolgenden Meßreihen, die das Gerätesystem durchführt, werden diese Bewegungen erkannt und können vom Gerätesysten¹ berücksichtigt werden.

Aber auch die zweite der obengenannten Bedingungen, daß nämlich das Gerätesystem seinen jeweiligen Standort sehr genau kennen muß, wird durch die erfindungsgem:'ⁿe Orientierungsvorrichtung erfüllt. Dadurch, daß da.-> Gerätesystem nicht nur während der Orientierungsphase sondern auch während tier darauffolgenden Bearbeitungsphase die ί ntfernungen /u den umgebenden Begrenzungsflächen mißt, kann es aus den bezüglich wenigstens zweier in ihrer Lage bekannter Grenzflächen gewonnenen Meßwerten ständig seinen cjrh fortlaufend ändernden Standort berechnen und mit der gleichen absoluten Genauigkeit, mit der das äußerst genaue Entfermingsmeßsystem arbeitet, bestimmen.

Wegen der großen Schnelligkeit, mit der sowohl das elektrooptische Meßgerät als auch die im Gerätesystem verwendbaren, kommerziell zur Verfügung stehenden Rechner arbeiten, spielt die Fahrgeschwindigkeit des Gerätesystems dabei keine Rolle.

AiIe vom Koordinatenrechner berechneten, die Begr •'Zungsflächen, den Gerätestandort und auch die Lage bereits bearbeiteter Bodenflächen wiedergebenden Daten werden dann in den Orientierungsspeicher eingegeben, so daß das Gerätesystem zu jedem Zeitpunkt alle Informationen zur Verfügung hat, die es ermöglichen, daß der Fahrprogrammrechner des Gerätesystems mit Hilfe einer vorgegebenen, in den Fahrstrategiespeicher fest eingespeicherten Fahrstrategie ein aus aufeinanderfolgenden Schritten bestehendes Fahrprogramm berechnet, das dann durch einen Steueranteil in Steuerbefehle umgesetzt wird, mit deren Hilfe über die Lenk- und Steuereinheiten die Bewegungen des Gerätesystems festgelegt werden.

Welche Fahrstrategie dabei im einzelnen angewendet wird, ist nicht Gegenstand der Erfindung. Es ist klar, da 3 für Räume mit einer bestimmten spezifischen Konfiguration eine Fahrstrategie zu optimalen Ergebnissen, d. h. zu einem strecken- und/oder zeitminimalen Fahrverlauf führt, die für andere Räume mit einer anderen spezifischen Konfiguration keineswegs günstig ist. Für diese anderen Räume wird dann wieder eine andere Fahrstrategie vorteilhaft sein. Dies wird im Einzelfall jeweils gesonderte, vom Fachmann ohne weiteres durchführbare Überlegungen erfordern, die gf /ebenenfalls durch Versuche zu ergänzen sind.

Wie oben bereits erwähnt, mißt das den Eingangsteil der erfindungsgemäßen Orientierungsvorrichtung bildende elektrooptische Meßgerät außerordentlich schnell die Entfernung einer Vielzahl von auf den Begrenzungsflächen des betreffenden Raumes liegenden Punkten Eine nicht nur während der Orientierungssondern auch während der Bearbeitungsphase ununterbrochen erfolgende, weitergehende Verarbeitung all dieser Daten würde einen sehr hohen technischen Aufwand erforderlich machen. Daher ist vorgesehen, daß die Orientierungsvorrichtung ständig eine Datenreduktion durchführt, d. h. überprüft, ob neu hereinkommende Meßergebnisse im Vergleich mit den bereits vorliegenden Daten neue Informationen beinhalten, ob also z. B. ein neu angemessener Punkt innerhalb vorgegebener Genauigkeitsgrenzen auf einer bereits

ermittelten Geraden liegt. Ist dies der Fall, so wird das zugehörige Meßergebnis nicht zu einem weiteren Ausbau oder einer Korrektur der gespeicherten Raumdarstellung verwendet, sondern unberücksichtigt gelassen und nicht weiter gespeichert. Dies fürt zu einer erheblichen Verminderung der in der Orientierungsvorrichtung zu verarbeitenden Datenströme.

Wu-. -i man die sich aus den Entfernungsmeßwerten unmittelbar ergebenden, auf den momentanen Gerätestandpunkt bezogenen Koordinaten der Begrenzungs- to flächen und der von diesen gebildeten Ecken bereits unmittelbar als die den umgebenden Raum geometrisch beschreibenden Daten im Orientierungsspeicher speichern, so würde sich aufgrund der den Ursprung des gerätefesten Koordinatensystems ständig verlagernden Fahrbewegung des Gerätesystems die Notwendigkeit einer laufenden Transformation dieser Koordinaten ergeben. Daher ist vorgesehen, daß die Orientierungsvorrich.tung ber?··? während der Orientieriingsphase. sobald hierfür genügend Meßwerte vorliegen und die Geradengleichungen der Begrenzungsflächen und den zugehörigen Schnitt- oder Eckpunkten errechnet sind, anhand vorgegebener Kriterien einen der Raumpunkte als Ursprung eines raumfesten Koordinatensystems auswählt und sämtliche Meßwerte, Gleichungen für Begrenzungsflächen, Raumecken usw. auf dieses raumfeste Koordinatensystem umrechnet. Die so gewonnenen raumfesten Koordinaten werde im vorliegenden Zusammenhang als »charakteristische Koordinaten« bezeichnet.

Die e charakteristischen Koordinaten sind es dann, die als die den Raum geometrisch beschreibenden Daten in den Orientierungsspeicher eingegeben werden.

Der Vorteil dieser Transformation besteht darin, daß die im Orientierungsspeicher enthaltene Darstellung des jeweiligen befahrenen Raumes allenfalls ergänzt und berichtigt nicht aber aufgrund der Fahrbewegung des Gerätesystems ununterbrochen geändert werden muß.

Der jeweilige momentane Standort des Gerätesystems läßt sich dann in diesem raumfesten Koordinatensystem auf einfache Weise mit Hilfe von zwei Koordinaten beschreiben, die wegen der Veränderbarkeit dieses Standortes als »laufende Koordinate« bezeichnet werden.

Durch die Speicherung dieser laufenden Koordinaten im Orientierungsspeicher während all der Fahrtabschnitte, bei denen das Gerätesystem eine Bearbeitung der Bodenfläche vornimmt, werden »Bearbeitungskoordinaten« erzeugt, die angeben, welche Bereiche des Bodens bereits bearbeitet worden sind und welche noch nicht, so daß das Gerätesystem mit Hilfe der fest einprogrammierten Fahrstrategie an Punkten, in denen mehrere Fahrtrichtungen möglich sind, entscheiden kann, welchen Flächenbereichen es sich zuwendet

Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispie! beschrieben und gezeichnet

Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild über das Zusar lmenwirken der Einrichtungen Ei — £9 und den Aufbau des beschriebenen Ausführungsbeispiels

F i g. 2 die Arbeitsweise des Meßsystems im Fernfeld in schematischer Darstellung

F i g. 3 die Arbeitsweise des Meßsystems im Nahfeld

F i g. 4 die Arbeitsweise des MeBsystems im Berührungsfeld

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Koordinatenberechnung und Transformation

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel einer speziellen Orientierungs-, Fahr- und Bearbeitungsstrategie

Fig. 7 einen Querschnitt eines symmetrischen Doppelradanstrichs in schematischer Darstellung

Fig.8 einen Querschnitt eines einseitig gelagerten Einzelantriebs

Fig.9 Draufsicht auf Gerätesystem mit einem Ausführungsbeispiel des elektro-optischen Systems in schema*ischer Darstellung

Fig. 10 Linsenanordnung eines elektro-optischen Ein- und Ausganges

F i g. 11 Draufsicht auf Gerätesystem mit Ausführungsbeispielen für die Ein- und Ausgänge des elektro-optischen Systems als rotierende Scheiben und für das elektro-akustische System in schematischer Darstellung

Fig. 12 Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 9 mit Einbauort für die elektro-optischen Bodengeber in srhematischer Darstellung.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird eine Bodenbearbeitungsmaschine vorzugsweise mit den Funktionen Bürsten und Saugen, Rasenmähen u.a. in Aufbau und Arbeitsweise nachfolgend besciirieben.

Im Gegensatz zu den bekannten Geräten werden die Funktionen des Fahrens und des Lenkens in der erfindungsgemäßen Ausführung in einer einzigen Einheit 21, 22 zusammengefaßt In einem Ausführungsbeispiel (F i g. 7) besteht diese in Doppelrädern 23, 24, wobei jedes Rad unabhängig direkt von Beispielsweise digital angesteuerten Schrittmotoren angetrieben wird. Die Achse 25 dieser Doppelräder 23,24 ist im Gehäuse 26 mittels der senkrechten Achse 27 frei dreh- und/oder arretierbar 28 gelagert.

Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß sowohl das selbsttätige Fahren als auch das Lenken ausschließlich über die Steuerung dieser Antriebsmotoren 23, 24 in der Form geschieht, daß für das Geradeausfahren alle Antriebsmotoren 23, 24 synchron angetrieben werden, wobei alle Doppelräder 23, 24 parallel stehen. Für Schwenkbewegungen und Kurvenfahren werden die einzelnen Räder eines Doppelrades mit unterschiedlicher Drehzahl bzw. Drehrichtung angetrieben, wodurch die Doppelräder in eine genau definierte Stellung (ε) zum Gehäuse sich einstellen. In einem anderen Ausführungsbeispiel (F i g. 8) erfolgt der Antrieb über Einzelräder 29, die einseitig gelagert und ebenfalls mittels einer senkrechten Achse 27 im Gehäuse 26 drehbar und arretierbar 28 gelagert sind. Fahren und Lenkung erfolgt auch hier durch die ausschließliche Ansteuerung der Antriebsmotoren, die auch zugleich die Räder darstellen. Durch beide Ausführungsformen wird eine maximale Manövrierfähigkeit kombiniert mit der Ausnutzung aller Freiheitsgrade in der Ebene erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sämtliche Kraftübertragungsglieder und der zusätzliche Unterbringungsraum für die Motoren entfallen. Außerdem ist die Lenkenergie bereits in der Antriebsenergie enthalten. Die Versorgung der Antriebsmotoren geschieht durch den Leistungsteil £7. Als Energiequelle sind Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Druckluftantriebe u. a. sowie Netzteile vorgesehen. Im Steuerteil £6 werden die relativen Zielkoordinaten, die dieser von dem übergeordneten Rechner £5 erhält, in Ansteuersignale für die Leistungselektronik £57 umgesetzt

In dem Rechner £55 ist u. a. die Fahrstrategie und Bearbeitungsstrategie fest verdrahtet Ein Beispiel

dieser Strategie ist in Fig.6 dargestellt, bei dem die Aufgabe besteht, einen unregelmäßig geformten Raum 40 mit mehreren Hindernissen 41 bis 44 strecken- und zeitminimal beispielsweise /'im Zwecke der Reinigung zu befahren. Dabei müssen an bestimmten Punkten t bis 9a, in diesem Beispiel durch numerierte Kästchen dargestellt, Entscheidungen über die spezielle Fahrtrichtung bezüglich Reinigung getroffen werden. Folgende Kriterien können unter anderen der Fahrstrategie zugrundegelegt werden:

1. Ecken:

Priorität: rechtwinklige Ecken

Priorität: diejenige, in der sich die längsten festgestellten Geraden schneiden.

Ergebnis: fahren zu Entscheidungspunkt 2 (F i g. 6) Fahrtrichtung: in Richtung derjenigen Geraden, die als längste festgestellt wurde (siehe Pfeil von 2, F i σ fiV

2. Flächen:

2.1 auf beiden Seiten unbearbeitete Flächen (siehe Entscheidungspunkt 3 bei 41, 6 bei 42 und 8 bei 43,

2.2 in Fahrtrichtung die linke Fläche gesäubert (siehe Punkt 4),

2.3 in Fahrtrichtung die rechte Fläche gesäubert (siehe Punkt 7).

3. Überlappungen:
minimalisieren (siehe Punkte 4 und 9).

4. Abgesetzte Bahnen:

(siehe Entscheidungspunkt 7)

5. Bahnen schräg zur Koordinatenachse:

5.1 Anfang: parallelfahren

5.2 Ende

6. Kürzeste Entfernung zu den Begrenzungen:
(siehe Punkte 4 und 5)

7. Schleifen:

vermeiden (siehe Punkte 3 und 6)

8. Richtungsänderung

9. Entscheidungen aus Optimierungsmodellen

Unter Beachtung ier fest vorgegebenen Kriterien wird der Raum zum Beispiel durch einseitige Versetzung in parallelen Bahnen entsprechend jeweils der Arbeitsbreite der Bearbeitungsmaschine befahren.

Für die Strategien erhält der Rechner £5 Informationen über die Form des Raumes 40 einschließlich der sich im Raum befindlichen Gegenstände 41,43 und über den Ist-Zustand der Bearbeitung aus dem Orientierungsspeicher £3. Im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren sind die Informationen über den Raum nicht in Form eines maßstabgetreuen Grundrißmodelles gespeichert, sondern werden durch Berechnung der den Raum und Rauminhalt charakterisierenden Koordinaten (siehe F i g. 6 beispielsweise 1,1—2,2—3,3—4 usw.), bezogen auf einen selbstgewonnenen und ausgewählten festen Bezugspunkt des Raumes bzw. der Fläche, als Koordinatenursprung festgelegt. Dadurch wird der erforderliche Speicherinhalt gegenüber der modellmäßigen Darstellung des Raumes im Speicher wesentlich reduziert. Der Zustand der Bearbeitung wird beispielsweise durch das Einspeichern einer laufenden Koordinate [siehe Γ (x^r. y', z', b, t) in Fig. 1 (E5. £3)] festgehalten, wobei außerdem gleichzeitig noch eine Kennzeichnung charakteristischer Koordinaten [siehe / (x, v, z, b) in Fig. 1 (E3 und E5)] zu diesem Zweck erfolgen kann.

Sowohl die charakteristischen f, (x, y, z, b) als die laufenden Koordinaten /'(V. v'. z', b. t) bzw. Daten sind das Ergebni; einer Reduzierung, Überprüfung und Korrelation der kontinuierlich einlaufenden Eingangsinformationen durch das übergeordnete, fest verdrahtete Rechenwerk E4. Die Aufgabe dieses Rechenwerkes besteht darin, sich einerseits einen Überblick über den Raum mittels der notwendigen und hinreichenden Koordinaten f(x.y, z. b)zu verschaffen und andererseits deren Richtigkeit und Widerspruchsfreiheit laufend zu

ίο überprüfen und zu garantieren. Mit Hilfe seiner übergeordneten Orientierungsstrategie kann es in die Fahrstrategie des Rechners £5 eingreifen und muß gegebenenfalls dem fest verdrahteten Koordinatenrechner E2 einen neuen oder korrigierten Koordinatenbezugspunkt mitteilen.

Im Rechenwerk £2 geschieht nach bekannten mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Umsetzung der vom Meßteil kommenden, auf den jeweiligen Gerätezustand bezogenen skalaren Größen (siehe s\ bis Ss in Fig. 2) in raum- bzw. flächenbezogenen Koordinaten f (x. v. z. bjund f. (x'.y'. z'. b. t). wie es in F i g. 5 dargestellt ist.

Aus dem Rechenwerk £4 kommen die Zusatzinformationen über den Bearbeifjngszustand [siehe f(... b) in F i g. 1] zur Kennzeichnung der betreffenden Koordinaten f(x.v. z. b)und C, (Vy■', z'. b. t).

Der Meßteil £ 1 als Eingangsglied und Datenlieferant für das Koordinatenrechenwerk £2 unterscheidet sich ganz wesentlich von den entsprechenden Einrichtungen

jo der bisher bekannten Anordnungen. Während diese den Raum sozusagen »blind« durch Fühler sehr geringer Reichweite ertasten müssen, besteht die Orientierung in der vorliegenden Erfindung darin, daß verschiedene, nicht gleichwertige Verfahren von unterschiedlicher,

J5 zugeordneter Reichweite sowohl im Fernfeld (siehe Fig. 2) als auch im Nah- (Fig.3) und Berührungsfeld (Fig. 4) skalare Entfernungen S\ bis 5s in Fig. 2 direkt messen. Das Kernstück dieses Meßteils £ 1 ist die an sich bekannte elektro-optische Entfernungsmessung.

dargestellt in Fig. 2^5 und 6, die auch im Fernfeld sehr genaue Meßwerte liefert. Die Genauigkeit ist unabhängig vom zurückgelegten Weg und dem Vießbereich. Wie in Fi g. 2, 5 und 6 dargelegt ist, geschieht dies dadurch, daß beispielsweise am Gerät 10 je Seite zwei optische Ein- und Ausgänge 11 und 12 (s. Fig.9). die beispielsweise einem Meßsystem 13 zugeordnet sind. angeordnet werden. Durch die erhaltenen 8 skalaren Entfernungen si bis 5g in Fig.2, die durch die konstruktive Anordnung am Gerät (siehe F i g. 11 u. 12) in ihren Richtungen fest zugeordnet sind, (siehe Fig. 11) werden aus je 4 Entfernungen (s\ bis S₁ F i g. 5) nach bekannten mathematischen Gesetzmäßigkeitscharakteristische Flächen- bzw. Raumgrenzen bzw. Eckpunkte (zum Beispiel 1,1 - 2,2 - 3 usw., s. F i g. 6) errechnet, wie aus F i g. 5 zu sehen ist Außerdem geht aus diesem Bild die Koordinatentransformation, die die Aufgabe des Rechners E2 ist, hervor. Es stellen x\, y\ die aus den skalaren Entfernungen S\ bis S₄ (Gerätestandpunkt 51) abstrahierten Koordinaten des nicht vorhandenen Raumeckpunktes 50 dar, der damit wiederum als fiktiver Koordinatenbezugspunkt gewählt werden kann. MittHs des Gerätestandpunktes 52 ist jetzt die Berechnung (aus der Messung) und Transformation der Koordinaten, bezogen auf den fiktiven Bezugspunkt 50, dargestellt

Die Korrelation der Ergebnisse der beispielsweise eiektroakustischen Entfemungsmeßteile 17 irn Nahfcid (siehe F i g. 3 u. 11) und der elektro-mechanischen bzw. elektrischen Meßteile 60 im Berührungsfeld (siehe

F i g. 4) wird im Orientierungsrechner £4 zur systemredundanten Absicherung der Orientierungskoordinaten vorgenommen.

In der Einrichtung £9 wird mittels Gebern in den verschiedenen Untersystemen und einer Ve-arbeitungselektronik die Funkt'onstüchtigkeit und der Betriebszustand, insbesondere der der Energiequellen, laufend überwacht und entsprechende Maßnahmen, wie Serviceanforderung, selbsttätige Aufladung, Auftanken und ähnliches veranlaßt. In einem speziellen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß das Gerät 10 selbsttätig zu einer Aufladestation hinfährt und sich selbst anschließt.

In dem komplexen Zusammenwirken des Meßteiles Ii I mit den Rechnern E4 und E5 (siehe F i g. 1) besteht die grundlegende Philosophie der vorliegenden Erfindung. Sie beinhaltet sowohl die Bewertung der Redundanz der Meßsvsteme als auch die Fähigkeit, sich in unbekannten Räumen selbständig zu orientieren und danach einen omimalen Bearbeitungs- bzw. Fahrplan zu einwickeln i:*>d durchzuführen. In Fig.) ist zum Beispiel die Datenverbindung zwischen Ei und E5 dazu vorhanden, dem Fahrstrategierechner die relativen Winkel ψ, zum Beispiel mittels Kreisel (nicht gezeichnet) festgestellt, und die relativen Fahrwege, zum Beispiel mittels Reibrad festgestellt, mitzuteilen. Über die Verbindung zu £8 bekommt der Rechner ES die Rückmeldung des Lenkwinkels ε d. h. der Winkelstellung zwischen Radstellung und Gehäuseachse. Damit ist er in der Lage, Bahnkoi rekturen durchzuführen.

Voraussetzung für den Fahrplan bzw. die Bahnberechnung und -korrektur sind die Kenntnisse über den zu bearbeitenden Raum bzw. Fläche. Diese Informationen erhält das Gerät 10 durch die Zusammenarbeit zwischen Meßteil Ei, Koordinatenrechner El, Rechner £4 und Speicher £3 einerseits und Rechner £4, Speicher £3 und Rechner £5 andererseits, beispielsweise während des Fahrens und Bearbeitens.

Aus Fig.6 ist zu entnehmen wie das Gerät die einzelne:. Orientierungspunkte bzw. charakteristischen Koordinaten bekommt. So kann es sofort nach Einfahren in den Raum 40 den Punkt 2 errechnen. Die anderen charakteristischen Koordinaten, beispielsweise die eingezeichneten Eckpunkte, erhält es während der Fahrt zwischen den eingezeichneten Entscheidungspunkten 1 bis 9a. So kann man aus Fig.6 entnehmen, welche charakteristischen Punkte es auf der Fahrt zwischen 1-2. 2-3, 3-4, 5-6, 6-7, 7-8, 8-9 und 9—9a ausmessen bzw. berechnen kann. Dadurch ist es prinzipiell auch möglich, trotz Durchgang bzw. Öffnungen 45 Räume als geschlossene Einheiten zu behandeln und zu bearbeiten. Durch das ständige Errechnen neuer charakteristischer Koordinaten und das Löschen der eingespeicherten überfahrenen Koordinaten kann eine erfindungsgemäße Anordnung auch einen sehr großen Raum bei minimalem Speicherbedarf bearbeiten.

In Fig. 10 ist eine Anordnung des optischen Linsensystem für die Ein- und Ausgänge 11, 12 dargestellt, dessen Mittelpunkte die gleichen Koordinaten besitzen; dies wird durch die erforderlichen Falschlichtblenden notwendig.

Die an den äußersten und bodennahen Bereichen, vorzugsweise an den vier bodennahen Ecken 18, angebrachten elektro-akustischen Sender 19 und Empfänger 20 sind in F i g. 12 aufgezeichnet und dienen zum Beispiel dem Gerät als Schutz vor Treppen. Außerdem sieht man in Fig. 12 den Neigungswinkel γ und in F i g. 11 die Versetzungswinkel χ und β der elektro-optischen Ein- und Ausgänge 11, 12 in einem speziellen Ausführungsbeispiel. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der räumlich universellen Orientierung, ohne Meßvieldeutigkeiten zu erhalten.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Orientierungsvorrichtung für ein Gerätesystem, das sich anhand ermittelter, einen durch Wände und/oder Hindernisse begrenzten Raum geometrisch beschreibender Daten in diesem Raum zur Bearbeitung einer vorgegebenen Fläche bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Gerätesystem (10) eingebaute Orientierungsvorrich- ι ο tung wenigstens

— eine zumindest während einer anfänglichen Orientierungphase rundum die skalaren Entfernungen zwischen dem Gerätesystem (10) und Punkten der Wände und/oder Hindernisse direkt messende Entfernungsmeßeinrichtung

(ε η

— einen diese Entfernungsmeßergebnisse unter Verwendung von bekannten mathematischen GeEitzmäßigkeiten in den Raum geometrisch beschreibende Daten umrechnenden Koordinatenrechner (E 2),

— einen diese den Raum geometrisch beschreibenden Daten für die folgende Bearbeitungsphase speichernden Orientierungsspeicher (E3) und

— einen während der Bearbeitungsphase die den Raum geometrisch beschreibenden Daten unter Verwendung einer in einem Fahrstrategiespeieher einprogrammierten Fahrstrategie in ein aus bufeinanderfolgenden Schritten aufgebautes Fahrprognrmm fü< iin weitgehend strecken- oder zeitminim-Jes Befahren und Bearbeiten der vorgegebenen Flä<';e umsetzenden Fahrprogrammrechner (ES)

umfaßt.

2. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeß- *o einrichtung (Ei) drei voneinander unabhängige Meßsysteme umfaßt, von denen das erste Entfernungsmessungen bis ins Fernfeld, das zweite bra ins Nahfeld und das dritte nur im Berührungsfeld jeweils mit nachfolgender Datenreduktion durchführt, und *5 daß diese drei Meßsysteme in der Weise hierarchisch geordnet sind, daß von den von verschiedenen Meßsystemen stammenden, die unmittelbare Umgebung des Gerätesystems (10) betreffenden Meßergebnissen diejenigen Ausfünrungspriorität 5" genießen, die die kleinste Entfernung angeben.

3. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmeßsysteme für das Fernfeld und das Nahfeld elektrooptische Meßsysteme sind und daß das Meßsystem für das Berührungsfeld ein binäres elektromechanisches Meßsystem ist.

4. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Entfernungsmessung im Fern- und Nahfeld derselbe elektroopti- «> sehe Entfernungsmesser (13) vorgesehen ist, und daß das Linsensystem des elektrooptischen Entfernungsmessers auf verschiedene Strahlenöffnungswinkel (ό) einstellbar ist. wobei der skalaren Entfernungsmessung im Fernfeld ein möglichst enger Öffnungswinkel und der Entfernungsmessung im Nahfeld ein demgegenüber vergrößerter Öffnungswinkel zugeordnet ist.

5. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Entfernungsmesser (13) an jeder Seite des Gerätesystems (10) wenigstens einen Eingang (U) und wenigstens einen Ausgang (12) in einer oder mehreren Ebenen in festen Winkellagen (4) bezüglich der Gerätesystemachse (14) besitzt

6. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der efekirooptische Entfernungsmesser auf einer oder mehreren rotierenden Scheiben (16) angeordnete Eingänge (U) und Ausgänge (12) besitzt, wobei die Eingänge und Ausgänge auf einer Scheibe und von Scheibe zu Scheibe um fest vorgegebene Winkel («, ß) zueinander versetzt angeordnet sind.

7. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander versetzt angeordneten Eingänge (11) und Ausgänge (12) zeitlich nacheinander demselben Meßsystem zugeordnet werden.

8. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinäienreehner (E 2) zur Umrechnung der aus den Entfernungsmeßergebnissen zunächst in einem gerätefesten Koordinatensystem gewonnenen Daten des Raums in charakteristische Koordinaten ausgebildet ist, die die Lage der Ecken, Wände und Hindernisse in bezug auf ein raumfestes Koordinatensystem wiedergeben, dessen Ursprung ein von der Orientierungsvorrichtung anhand einer fest vorgegebenen Orientierungsstraiagie ausgewählter Raumpunkt ist, und daß diese charakteristischen Koordinaten als die den Raum geometrisch beschreibenden Daten im Orientierungsspeicher (E3) speicherbar sind.

9. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatenrechner (E2) zur Berechnung der den jeweiligen, momentanen Standort des Gerätesystems bezüglich des als Ursprung für die charakteristischen Koordinaten ausgewählten Raumpunktes beschreibenden laufenden Koordinaten aus den während der Bearbeitungsphase laufend gewonnenen Entfernungsmeßergebnissen ausgebildet ist.

10. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in Zeitabschnitten, in denen eine Bodenbearbeitung stattfindet, ermittelten laufenden Koordinaten als Bearbeitungskoordinaten im Orientierungsspeicher (E3) speicherbar sind.

11. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein die in der Orientierungsphase gewonnenen, den Raum geometrisch beschreibenden Daten anhand während der Bearbeitungsphase ständig neu eingehender skalarer Entfernungsmeßwerte laufend überprüfender, berichtigender und ergänzender Orientierungsrechner (EA) vorgesehen ist

12. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der eine globale Orientierung ermöglichenden Entfernungsmeßeinrichtung eine weitere Vorrichtung zur Aufnahme und Verarbeitung von Meßwerten für eine partielle Orientierung vorgesehen ist deren Ergebnisse dem Orientierungsrechner (EA) für einen Vergleich mit den Daten der globalen Orientierung zuführhar sind.

13. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Vorrich-

^ King eine den vom Gerätesystem (10) zurückgeleg-' ^:;.'.;'.te.ri Weg durch Aufnahme kombinierter relativer " .Weg-und Winkelmeßwerte erfassende Meßeinrichtung umfaßt-

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14. Örientierungsvorrichtung nach Anspruch 13, "■'■'^!"^! dadurch gekennzeichnet,daß die Meßeinrichtung für die relative Weg- und Winkelmessung als Meßorga-' ne einen Kreisel und eic Reibrad umfaßt

15. Orientierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Lenkwinkel ¹' (έ), die jeweils den Winkel zwischen partieller Antriebsachse und definierter Gerätesystemachse (14) darstellen, aufnehmende und an den Fahrprogrammrechner (ES) zur Kursüberprüfung und Kurskorrektur weitergebende Vorrichtung vorgesehen ist