DE4415497C1 - Wegesuchverfahren für eine selbstbewegliche mobile Einheit - Google Patents

Description

Heutzutage gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für autonom operierende mobile Einheiten. Man denke in diesem Zu­ sammenhang an Fernerkundungssonden, an mobile Einheiten, die in Gefahrengebieten operieren, an selbstbewegliche Industrie­ staubsauger, an Transportfahrzeuge in der Fertigungsindustrie und nicht zuletzt an selbstbewegliche Roboter. Um jedoch eine sinnvolle Aufgabe in einer a priori unbekannten Umgebung erfüllen zu können, muß sich eine selbstbewegliche mobile Einheit auch in sehr komplexen und unstrukturierten Umgebun­ gen zurecht finden, um möglichst immer einen Fahrweg zwischen zwei Punkten ausmachen können. Da im allgemeinen eine a priori Karte nicht verfügbar ist, muß eine solche selbstbewegliche Einheit mit Sensoren ausgestattet sein, welche es der Einheit erlauben, flexibel mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Einige solche Sensoren sind Laser-Entfernungsscanner, Videokameras und beispielsweise Ultraschallsensoren.

Eine Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen mobilen Einheiten in unbekannten Umgebungen, besteht darin, daß sich die Einheit ein zweidimensionales Gitter ihrer Umgebung aufbaut und einzelne Zellen dieses Gitters mit Bele­ gungswerten versieht. Die je Gitterzelle vergebenen Bele­ gungswerte repräsentieren das Auftreten von Hindernissen in der Umgebung.

Eine solche Methode zur Orientierung von selbstbeweglichen Einheiten in Gitterkarten gibt die Schrift "Histogrammic in Motion Mapping for Mobile Robot Obstacle Avoidance", IEEE Transactions on Robotics Automation, Vol. 7, No. 4. Aug. 1991 von J. Borenstein und Yoram Koren an.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Durchführung von Ausweichmanövern beim Antreffen von Hindernissen auf dem Fahrweg. Die Fahrwegplanung der mobilen Einheit wird wesent­ lich bestimmt durch deren Manövrierbarkeit, durch das gewähl­ te Fahrziel und die Hindernisse auf dem Fahrweg. Die mobile Einheit sollte auch bei ausgedehnten Hindernissen immer einen Weg finden um diese umfahren zu können.

Aus der Zeitschrift Elektor, Heft 1, Januar 1974, Seiten 36 bis 42 ist eine Schildkröte bekannt. Der dort beschriebene Mechanismus fährt beim Erblicken einer horizontalen Licht­ quelle diese zielstrebig an. Trifft er bei seiner Vorwärts­ fahrt auf ein Hindernis, so wird unverzüglich eine Rückwärts­ fahrt eingeleitet, die mit einer kleinen Seitwärtsdrehung beginnt. Die Dauer der Rückwärtsfahrt ist zeitgesteuert. Durch die leichte Seitwärtsdrehung und die Dauer der Rück­ wärtsfahrt wird erreicht, daß nach Beendigung der Rückwärts­ fahrt und Umschalten auf Vorwärtsfahrt das Hindernis an einer anderen Stelle erreicht wird. So kann sukzessive durch diese Vorgehensweise ein Hindernis umfahren werden. Hilfreich ist dabei auch, daß normale Vorwärtsfahrt mit einem Linkskreis von einem Radius von ca. 80 cm erfolgt. Lediglich bei Erblicken eines Zieles in Form einer Lichtquelle wird auf Geradeausfahrt umgeschaltet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Wegesuchverfahren anzugeben, mit dem eine selbstbewegliche mobile Einheit einen Fahrweg zur Umfahrung von Hindernissen sucht.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Ausweichmanöver auf eine reaktive Ebene der selbstbe­ weglichen mobilen Einheit verlagert wird. Falls also eine hierarchische Steuerung vorliegt, wird diese nicht mit einfa­ chen Ausweichmanövern belastet. Dies spart Rechenzeit und er­ laubt auf höheren Hierarchieebenen beispielsweise weiter die Auswertung eingehender Sensordaten von Entfernungsmeßgeräten und weiterer Planungsaktivitäten.

Weiterhin bietet das Verfahren den Vorteil, daß es auch ohne genaue Kenntnis der Umgebung angewendet werden kann. Es muß lediglich eine Startposition der selbstbeweglichen mobilen Einheit bekannt sein und eine Zielrichtung. Diese Einfachheit wirkt jedoch nicht einschränkend, sondern erlaubt auch den Gebrauch der Erfindung in Verbindung mit unterschiedlichen Orientierungsverfahren beispielsweise zellular strukturierten Umgebungskarten, oder stereosensorbasierenden Umge­ bungskarten.

Günstig ist es das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach anzu­ wenden, um einen Fahrweg von einem Startpunkt zu einem Ziel zu suchen, da auf diesem Weg mehrere Hindernisse vorhanden sein können und so auf jeden Fall ein günstiger Fahrweg ge­ funden werden kann.

Um ein Ziel genauer erreichen zu können empfiehlt es sich, zusätzlich zur Zielrichtung auch den Abstand zum Ziel anzuge­ ben, da damit eine genauere Auswertung der Bewegungsabläufe zur Ansteuerung des Zieles möglich ist.

Als besonders einfache, weil leicht zu überprüfende Beschränkung für die Abweichung kann die Vorgabe eines Abweichungswinkels von der Zielrichtung, bzw. die Vorgabe ei­ ner Abweichungsstrecke verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er­ läutert.

Fig. 1 gibt ein Beispiel für die Wegesuche einer selbstbe­ weglichen mobilen Einheit an.

Fig. 2 gibt ein weiteres Beispiel für die Wegesuche einer selbstbeweglichen mobilen Einheit an.

In Fig. 1a bis d ist die Wegesuche einer selbstbeweglichen mobilen Einheit von einem Startpunkt S zu einem Ziel Z in vier Schritten dargestellt. Auf dem Weg der mobilen Einheit zwischen dem Start S und dem Ziel Z befindet sich ein Hinder­ nis H. Aus Fig. 1a kann erkannt werden, daß sich die selbst­ bewegliche Einheit SE zunächst in Zielrichtung vom Startpunkt S auf das Ziel Z zubewegt. Auf ihrem Fahrweg erkennt sie, daß sich zwischen dem Start und dem Ziel das Hindernis H befindet und leitet nun ein Ausweichmanöver nach links ein. Ein Hindernis kann vorzugsweise durch Ultraschall oder Laser­ abstandsmeßgeräte detektiert werden. Der Ausweichvorgang wird solange durchgeführt, bis eine erste Richtungs­ abweichungsgrenze im Punkt A erreicht wird. Eine solche Richtungsabweichungsgrenze kann beispielsweise als Abweichungswinkel von der vorgegebenen Fahrtrichtung zwischen Start und Ziel, oder als Fahrstrecke, die von einem Punkt an dem die selbstbewegliche mobile Einheit von der Fahrtrichtung abweicht aus gemessen wird, definiert sein.

In Fig. 1b ist dargestellt, daß die selbstbewegliche mobile Einheit nach dem Überschreiten der Richtungsabweichungsgrenze wieder zu ihrem Ausgangspunkt AP zurückkehrt und von dort ei­ ne Umfahrung des Hindernisses in die andere Richtung ver­ sucht. So wird von ihr der Punkt B erreicht an dem die erste Richtungsabweichungsgrenze wieder überschritten wird.

Fig. 1c zeigt den nächsten Schritt auf dem Weg der selbstbe­ weglichen mobilen Einheit zum Ziel. Nachdem sie mit der er­ sten Richtungsabweichungsgrenze als Schranke zwei Fehlver­ suche zur Umfahrung des Hindernisses durchgeführt hat, wird die Richtungsabweichungsgrenze erhöht und die selbstbe­ wegliche mobile Einheit kehrt, wie in Fig. 1c dargestellt zu einem Ausgangspunkt AP1 zurück. Von dort aus erreicht sie den Punkt C und erkennt nun im Erfassungsbereich ihrer Entfernungsmeßsensoren, daß das Hindernis H in der gewählten Fahrtrichtung zu umfahren ist.

In Fig. 1d ist der weitere Fahrweg der selbstbeweglichen mobilen Einheit zum Ziel Z als D dargestellt. Vom Punkt C ausgehend kann die selbstbewegliche mobile Einheit beispiels­ weise ihr Ziel dadurch erreichen, daß in der Steuereinheit der selbstbeweglichen mobilen Einheit ein Wandfolgeprogramm vorgesehen ist, welches im Punkt C aktiviert wird. Dieses Wandfolgeprogramm bleibt solange aktiviert, bis das Hindernis umrundet ist und zur ursprünglichen Fahrtrichtung in Richtung des Zieles zurückgekehrt werden kann. Ein Vorteil bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die selbstbewegliche mobile Einheit in ihrer Steuerung keine detaillierte Umgebungskarte mit sich führen muß. Die Umfahrung des Hindernisses kann wie erfindungsgemäß vorgesehen lediglich auf einer reaktiven Ebene erfolgen. Es werden nur Kenntnisse der geometrischen Abmessungen der selbstbeweglichen mobilen Einheit SE und der Abstände zu Hindernissen in der Umgebung benötigt. Besonders vorteilhaft wird durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden, daß bei ausgedehnten Hindernissen die Einheit ständig hin und her schwenkt und beim Ausweichvorgang in einer endlosen Schleife gefangen bleibt.

Fig. 2 zeigt einen weiteren Bewegungsvorgang einer selbstbe­ weglichen mobilen Einheit von einem Startpunkt S zu einem Zielpunkt Z. In der Umgebung sind fünf Hindernisse H1 bis H5 vorhanden. Vom Startpunkt S ausgehend fährt die mobile Ein­ heit zunächst in Zielrichtung los und entscheidet sich im Punkt A nach einem Ausweichvorgang in Rechtsrichtung für den linken Weg und im Punkt B nach einem Ausweichvorgang in Linksrichtung für den rechten Weg.

Wie aus der Darstellung erkannt werden kann, wird durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise das Ziel auf direktem Weg erreicht. Besonders ist zu beachten, daß hierbei keinerlei Kenntnisse in Form einer globalen Umgebungskarte vorliegen müssen und daß nur kleinere Ausweichmanöver von der selbstbe­ weglichen mobilen Einheit durchgeführt werden. Weiter kann erkannt werden, daß keinerlei Endlosschleifen auftreten, in welchen die selbstbewegliche mobile Einheit bei einem Ausweichvorgang gefangen werden könnte.

Claims (5)

1. Wegesuchverfahren für eine selbstbewegliche mobile Einheit,

• a) bei dem der selbstbeweglichen mobilen Einheit eine Zielrichtung vorgegeben wird,
• b) bei dem sich in einem ersten Schritt die selbstbewegliche mobile Einheit in Zielrichtung bewegt bis sie ein Hindernis auf ihrem Weg antrifft,
• c) bei dem in einem weiteren Schritt die selbstbewegliche mobile Einheit von einem Ausgangspunkt vor dem Hindernis ausgehend zur Umfahrung des Hindernisses in eine erste Richtung von der Zielrichtung abweicht, sich weiter fortbewegt, und falls sie das Hindernis bis zum Erreichen einer festgesetzten ersten Richtungsabweichungsgrenze nicht umfahren kann, nach diesem Fehlversuch zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehrt,
• d) bei dem in einem weiteren Schritt die selbstbewegliche mobile Einheit vom Ausgangspunkt ausgehend zur Umfahrung des Hindernisses in eine zweite Richtung von der Zielrichtung abweicht, sich weiter fortbewegt, und falls sie das Hindernis bis zum Erreichen der ersten Richtungsabweichungsgrenze nicht umfahren kann, nach diesem Fehlversuch zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehrt,
• e) bei dem nach jeweils zwei Fehlversuchen die Richtungsabweichungsgrenze erhöht wird um einen Fahrweg zu suchen, der eine Umfahrung des Hindernisses erlaubt,
• f) und bei dem die Richtungsabweichungsgrenze so lange erhöht wird, bis eine Umfahrung des Hindernisses möglich ist, wobei nach dessen Umfahrung die Abweichung von der Zielrichtung rückgängig gemacht und sich die selbstbewegliche mobile Einheit in Zielrichtung weiter fortbewegt.

2. Wegesuchverfahren nach Anspruch 1, welches zum Erreichen eines Zieles mehrfach ausgeführt wird.

3. Wegesuchverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Zielrichtung und eine Zielentfernung vorgegeben wird.

4. Wegesuchverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Richtungsabweichungsgrenze als Winkelabweichung von der Zielrichtung vorgegeben wird.

5. Wegesuchverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Richtungsabweichungsgrenze als Wegstrecke vom Ausgangspunkt vorgegeben wird.