DE4415736A1 - Verfahren zur Kollisionsvermeidung mit Hilfe eines Lenkwinkelfeldes für eine autonome mobile Einheit - Google Patents

Description

Durch Sensoren gestützte Bewegung autonomer mobiler Einheiten in komplexen, eng mit Hindernis sen bestellten, unbekannten Umgebungen, wie zum Beispiel Büros oder Wohnungen, stellt eine beträchtliche Herausforderung an die Steuerung und die Datenauswertung der mobilen Einheit dar. Eine solche Einheit, beispielsweise ein Roboter ist nur fähig nützliche Aufgaben durchzuführen, wenn sie sich zielstrebig in ihrer Umgebung bewegen kann und auch über mehrere Stunden hinweg Hindernisse vermeiden kann.

Da der Bewegungsraum der Einheit meistens unbekannt ist und sich meistenteils auch dynamisch verändert, ist es sinnvoll die meisten Details welche die unmittelbare Bewegung der Ein­ heit betreffen lokal zu ermitteln. Konsequenterweise wird deshalb zwischen der Planung, welche eine Folge von Zwischen­ zielpunkten liefert und lokaler Manövrierung, deren Aufgabe es ist die autonome Einheit von einem Zwischenziel zu dem nächsten Zwischenziel zu bewegen unterschieden. Für diese Aufgabe werden schnelle Mechanismen benötigt, die es erlauben Hindernisse gesichert zu vermeiden und die trotzdem eine hohe Beweglichkeit der Einheit gewährleisten. Die Einheit sollte sich in unvorbereiteten Umgebungen ohne Vorausinformation be­ wegen können und dies mit einer angemessenen Geschwindigkeit (ca. 50 cm pro Sekunde) können. Dabei können die typischen Abstände zwischen Hindernis sen in der Größenordnung der Ab­ messungen der autonomen mobilen Einheit oder kleiner sein. Die Passagen, welche sie bei ihrer Fahrt durchqueren müssen können dabei auch sehr eng sein. Hindernisse (zum Beispiel Personen) können sich mit einer Geschwindigkeit die vergleichbar ist mit jener der Einheit bewegen. Dies führt dazu, daß die meiste Zeit die selbstbewegliche Einheit an den Grenzen ihrer Sensorausstattung bzw. ihrer geometrischen und kinematischen Beschränkungen arbeiten muß. Erschwerend kommt hinzu, daß falls Ultraschallsensoren eingesetzt werden diese den Nachteil einer Nahbereichsblindzone und einer niedrigen Feuerrate haben.

Folgende grundlegende Arbeiten auf dem Gebiet der Orientie­ rung von autonom operierenden mobilen Einheiten sind bekannt:
R. Bauer, W. Feiten, G. Lawitzky: Steer Angle Fields: An Ap­ pro ach to Robust Manoeuvring in Cluttered, Unknown Environ­ ments, Proc. Int. Workshop on Intelligent Robotic Systems, pp. 67 bis 70, July 1993.
J. Borenstein, Y. Koren: "Histogrammic In-Motion Mapping for Mobile Robot Ostacle Avoidance", IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol. 7, No. 4, August 1991.

Trotz der umfassenden Arbeiten auf dem Gebiet der selbstbe­ weglichen mobilen Einheiten, gibt es immer noch Schwierigkei­ ten bei der Auswertung von Sensorinformationen und bei der Gewährleistung einer schnellen Reaktion auf sich dynamisch ändernde Umgebungen, sowie der Berücksichtigung dieser Verän­ derungen im Zusammenhang mit einer lokalen Orientierung von autonomen mobilen Einheiten.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Kollisionsvermeidung mit Hilfe ei­ nes Lenkwinkelfeldes für eine autonome mobile Einheit anzuge­ ben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch seine Anwendung der Rechenaufwand in der Steuerein­ heit einer autonomen mobilen Einheit verringert werden kann, dadurch Anwendung eines fest definierten Beobachtungsberei­ ches als Grundlage für eine Fahrwegplanung nur solche Hinder­ nisse bewertet werden müssen, welche sich innerhalb dieses Beobachtungsbereiches befinden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, mehrere Beobachtungsbereiche in Abhängigkeit Bewe­ gungserfordernisse zu definieren und für diese Beobachtungs­ bereiche jeweils separat auch für mehrere Hindernisse, zu­ lässige Lenkwinkelbereiche festzustellen. So können Hinder­ nisse in unterschiedlicher Entfernung der autonom operieren­ den Einheit separat bewertet werden und bei einer globalen Bewegungsplanung im Sinne einer Start-Ziel-Bewegung der auto­ nomen mobilen Einheit besser berücksichtigt werden.

Besonders günstig ist es beim Vorhandensein von mehreren Hin­ dernissen in der Umgebung, im Beobachtungsbereich der autono­ men mobilen Einheit die Lenkwinkelbereiche für die Hinder­ nisse separat festzustellen und abzuspeichern, weiterhin eine Schnittmenge dieser erlaubten Lenkwinkelbereiche zu bilden und diese in einem Lenkwinkelbereichsfeld abzuspeichern, wel­ ches für eine aktuelle Position die erlaubten Lenkwinkel als Grundlage einer Fahrwegplanung angibt. Durch diese Vorgehens­ weise wird die Planung für einen Fahrweg erleichtert und die dafür benötigte Rechenzeit in der Steuereinheit der mobilen Einheit verringert.

Um einen Zusammenstoß mit statischen Hindernissen zu vermei­ den sieht es das erfindungsgemäße Verfahrens günstigerweise vor, daß um die Einheit herum eine Sicherheitszone definiert wird, welche von keinem Hindernis durchdrungen werden darf. So wird sichergestellt, daß auch beim Auftreten von Hinder­ nissen im Nahbereich der Einheit durch das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Manövrierfähigkeit gewährleistet wird. Eine sichere Manövrierbarkeit der selbstbeweglichen mobilen Einheit auch bei hohen Geschwindigkeiten wird durch das er­ findungsgemäße Verfahren günstigerweise sichergestellt in dem in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit der Beobachtungsbe­ reich entsprechend angepaßt wird.

Günstig es für kleine Fahrgeschwindigkeiten einen kleinen Be­ obachtungsbereich und für vergleichsweise große Fahrgeschwin­ digkeiten einen großen Beobachtungsbereich zu wählen. In der Regel wird es so sein, daß die Einheit an engen Stellen mit einer kleinen Geschwindigkeit und an weiten Stellen mit einer großen Geschwindigkeit fortbewegt wird. Durch das erfindungs­ gemäße Verfahren wird so sichergestellt, daß die Strecke zwi­ schen Start- und Zielpunkt möglichst schnell durchfahren wer­ den kann.

Vorteilhaft wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Lenkwinkelbereich als Schnittmenge von zwei erlaubten Lenk­ winkelbereichen gebildet, die für unterschiedliche Beobach­ tungsbereiche gültig sind. So wird gegebenenfalls eine lang­ fristige Planung des Fahrweges erleichtert und eine optimale Geschwindigkeit der Einheit auf ihrem Fahrweg sichergestellt.

Um eine globale Fahrwegplanung zu erleichtern und mit ange­ paßter Geschwindigkeit fahren zu können, sieht es das erfin­ dungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise vor für einen Beob­ achtungsbereich mindestens zwei Sicherheitszonen zu definie­ ren und für diese Sicherheitszonen separat die zugehörigen Lenkwinkelbereichsfelder zu ermitteln. So kann fahrsituati­ onsabhängig auf das jeweilig gültige Lenkwinkelbereichsfeld umgeschaltet werden.

Eine zyklische Durchführung des Verfahrens führt dazu, daß schnell auf Änderungen in der Umgebung reagiert werden kann.

Vorteilhaft sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, auf nicht statische Hindernisse durch Rückwärtsfahrt zu reagie­ ren.

Vorteilhafterweise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Manövrierbarkeit der mobilen Einheit durch enge Passagen sichergestellt, indem beim Auftreten von keinem zu­ lässigen Lenkwinkelbereich die Sicherheitszone um die Einheit herum verkleinert wird, um bei der Berechnung der zulässigen Lenkwinkel einen höheren Spielraum zu haben. Im Extremfall wird dabei die Sicherheitszone so klein gewählt, daß sie mit den Gehäuseabmessungen der mobilen Einheit übereinstimmt.

Vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren anwen­ den, wenn als lokale Karten zellular strukturierte Umgebungs­ karten verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich Opera­ tionen, die Hindernisse betreffen, wie beispielsweise die Be­ rechnung von Lenkwinkelfeldern mathematisch auf Matrizenoperationen zurückführen und beschleunigen so den Rechenvorgang im Steuerrechner, womit eine kürzere Reaktionszeit erreicht wird.

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

Fig. 1 zeigt eine autonome mobile Einheit mit einem Hinder­ nis.

Fig. 2 zeigt eine autonome mobile Einheit mit mehreren Hin­ dernissen.

Fig. 3 zeigt eine autonome mobile Einheit mit einem Hinder­ nis in der Sicherheitszone.

Fig. 4 zeigt eine autonome mobile Einheit mit unterschiedli­ chen Beobachtungsbereichen.

Fig. 5 veranschaulicht die Ermittlung eines Lenkwinkels.

Fig. 6 erläutert verschiedene Fallbeispiele bei der Ermitt­ lung eines Lenkwinkels für die mobile Einheit.

In Fig. 1 ist eine autonome mobile Einheit zusammen mit ei­ nem Hindernis H dargestellt. Um die autonome mobile Einheit, in der Folge Einheit genannt herum ist eine Sicherheitszone SZ1 gelegt. Diese Sicherheitszone dient bei der Berechnung des Abstandes der Einheit zu Hindernissen als Kontur der Einheit. Hierzu sind an der Sicherheitszone außen Extrem­ punkte der Einheit vr, vl, ml, hl, hr und mr vorgesehen. Mit Hilfe der Kinematik der Einheit kann nun von einer Steuerung ein Winkel festgelegt werden, unter welchem die Einheit bei Vorwärtsfahrt einen Kreisbogen beschreibt, der eben nicht zu einer Kollision mit dem Hindernis H führt.

In der Figur ist für den Winkel Θ₁ der maßgebliche Kreisbogen KB1 dargestellt welchen die Einheit bei Vorwärts-links-Fahrt beschreibt und der die Einheit am Hindernis H gerade eben vorbeiführt. Der maßgebliche Berechnungspunkt für die Kollisionsanalyse ist hierbei der Punkt vr auf der Sicher­ heitszone der Einheit AE.

Zur Vorwärts-rechts-Fahrt ist der maßgebliche Winkel Θ₂, un­ ter welchem die Einheit den Kreisbogen KB2 beschreibt, der sie bei Vorwärts-rechts-Fahrt an dem Hindernis vorbeiführt. Vorbeifahrt an dem Hindernis bedeutet hier, daß der auf der Sicherheitszone befindliche Extrempunkt vl gerade eben am Zentrum des Hindernisses H vorbeikommt ohne mit dem Hindernis zu kollidieren.

Aus dieser Analyse der Vorwärtsbewegung lassen sich zwei Winkel Θ₁ und Θ₂ ableiten, welche einen verbotenen Lenkwin­ kelbereich LWBV beschreiben. Dieser verbotene Lenkwinkelbe­ reich umfaßt also alle Lenkwinkel unter welchen die autonome mobile Einheit AE mit dem Hindernis kollidieren würde. Die Subtraktion dieses Lenkwinkelbereiches von 360° führt zu ei­ nem erlaubten Lenkwinkelbereich LWB1. Dieser erlaubte Lenk­ winkelbereich LWB1 umfaßt sämtliche Lenkwinkel unter denen die Einheit vorwärts oder rückwärts fahren kann und unter de­ nen sie nicht mit einem Hindernis H in der Umgebung kolli­ diert. Vereinfacht ist hier nur ein Hindernis dargestellt. Diese Analyse läßt sich jedoch auch ohne Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens für mehrere Hindernisse gleich­ zeitig durchführen. In Abhängigkeit des Standortes der auto­ nomen mobilen Einheit AE erhält man nach dieser Bewegungs­ analyse für den augenblicklichen Aufenthaltsort, hier bei­ spielsweise sei der Schnittpunkt des Koordinatenkreuzes xy als Ort gewählt, einen erlaubten Lenkwinkelbereich in Rela­ tion zu einem Hindernis in der Umgebung.

Fig. 2 zeigt die Kollisionsanalyse der autonomen mobilen Einheit für mehrere Hindernisse H1 bis H3. In Abhängigkeit der Kinematik der Einheit und ihres Standortes, der sich hier im Schnittpunkt des Achsenkreuzes XY befindet, ergeben sich in Bezug auf die einzelnen Hindernisse unterschiedliche er­ laubte und verbotene Lenkwinkelbereiche.

Die Bewegungsanalyse wird durchgeführt wie es in Fig. 1 be­ schrieben wurde. Für das Hindernis H1 erhält man einen ver­ botenen Lenkwinkelbereich LWBV1. Für das Hindernis H2 erhält man einen verbotenen Lenkwinkelbereich LWBV2 und für das Hin­ dernis H3 einen verbotenen Lenkwinkelbereich LWBV3. Als Grundlage einer weiterführenden Fahrwegplanung ist es uner­ heblich, ob die verbotenen Lenkwinkelbereiche oder die er­ laubten Lenkwinkelbereiche zu Analysezwecken weiterverarbei­ tet werden.

Durch Bildung der Schnittmenge der einzelnen ermittelten Lenkwinkelbereiche LWBV1 bis LBWB3 erhält man das Lenkwinkel­ bereichsfeld LWBF. Hierin sind wie zuvor die verbotenen Lenk­ winkel schwarz und die erlaubten Lenkwinkel weiß dargestellt.

Zur Erleichterung der Fahrwegplanung einer autonomen mobilen Einheit können in Abhängigkeit gewählter Beobachtungsbereiche und Sicherheitszonen nur bestimmte Hindernisse berücksichtigt werden und in Abhängigkeit des jeweiligen Standorts der Einheit AE unterschiedliche Lenkwinkelbereichsfelder LWB1 abgespeichert werden. Die Abspeicherung in Feldern erlaubt es einfach mittels mathematischer Operationen auf die einzelnen Daten die je Hindernis gespeichert sind zuzugreifen. Beispielsweise können so für mehrere Hindernisse gleichzeitig Belegungsgradwerte erhöht oder erniedrigt werden.

Fig. 3 zeigt die Ermittlung eines Lenkwinkelbereiches für ein Hindernis, welches sich innerhalb der Sicherheitszone der autonomen mobilen Einheit AE befindet. Die zuvor getätigten Betrachtungen berücksichtigen hauptsächlich eine statische Umgebung. Fig. 3 veranschaulicht einen Teil des erfindungs­ gemäßen Verfahrens, der sich mit einer sich dynamisch ändern­ den Umgebung befaßt.

Wie zuvor beschrieben wurde werden Hindernisse, welche sich außerhalb der Sicherheitszone befinden, durch das erfindungs­ gemäße Verfahren zuverlässig vermieden indem ein Kollisions­ abstand vorausberechnet wird und entsprechende Lenkwinkelbe­ reiche für jedes Hindernis definiert werden. Da sich jedoch auch Hindernisse in der Umgebung bewegen können, zum Beispiel Menschen, oder auch Einrichtungsgegenstände verschoben werden können, kann es geschehen, daß ein Hindernis von der autono­ men mobilen Einheit AE innerhalb ihrer Sicherheitszone be­ merkt wird. Falls dies der Fall ist, kann beispielsweise eine Steuerungsroutine der Einheit vorsehen, daß die Einheit so­ fort gestoppt wird und nun erneut ein Lenkwinkelbereichsfeld LWB1 ermittelt wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, führt dies automatisch dazu, daß der verbotene Lenkwinkelbereich sehr groß und der erlaubte Lenkwinkelbereich LWB1 sehr klein ist. Für die Winkel Θ₁ und Θ₂ ergeben sich wiederum die Kreisbögen KB1 und KB2. Die erlaubten Lenkwinkel können nur durch Rück­ wärtsfahrt von der Einheit eingehalten werden. Ein Steuer­ programm der autonomen mobilen Einheit kann deshalb vorsehen, daß vor einem Hindernis abgestoppt wird, und daß Rückwärtsfahrt eingeleitet wird. Die Rückwärtsfahrt kann dann beispielsweise im Rahmen einer globalen Bewegungsplanung in­ nerhalb eines erlaubten Lenkwinkelbereiches LWB1 erfolgen. Nachdem das Hindernis H aus der Sicherheitszone SZ1 ausge­ treten ist, kann im Rahmen einer globalen Fahrwegplanung wieder zur Vorwärtsfahrt übergegangen werden und ein Lenkwinkel eingestellt werden, der auf dem kürzesten Weg zum Ziel führt.

In Fig. 4 ist eine autonome mobile Einheit AE mit verschie­ denen Beobachtungsbereichen BB1 und BB2 dargestellt. Weiter­ hin können unterschiedlich große Sicherheitszonen safety_small und safety_large erkannt werden.

Fig. 4a zeigt eine autonome mobile Einheit mit der Sicher­ heitszone SZ1 und dem Beobachtungsbereich BB1. Vorteilhaft ist der Einsatz eines relativ kleinen Beobachtungsbereiches, das heißt klein zu den Dimensionen der autonomen mobilen Ein­ heit AE, bei langsamen Geschwindigkeiten und in engen Passa­ gen. Hierfür wird vorteilhafterweise auch eine enge Sicher­ heitszone SZ1 gewählt, damit bei der Fahrwegplanung und Kol­ lisionsanalyse durch Berücksichtigung eines Sicherheitsab­ standes keine Manövrierfähigkeit verschenkt wird. Durch die Wahl eines kleinen Beobachtungshorizontes BB1 wird erreicht, daß nur wenige Hindernisse im Nahbereich der automobilen Einheit evaluiert werden müssen. Damit wird beispielsweise ein Steuerrechner, welcher die Bewegungsplanung durchführt, in der Steuereinheit der autonomen mobilen Einheit entlastet. Beispielsweise kann deshalb auch die Evaluationsgeschwindig­ keit für Hindernisse im Nahbereich der Umgebung erhöht wer­ den. Dies bedeutet eine Evaluation von beispielsweise Sensordaten kann mit höherer Geschwindigkeit erfolgen, da nur wenige Hindernisse berücksichtigt werden müssen. Es ist auch denkbar, daß in einer engen Passage mehrere Hindernisse auf­ treten und diese bei der Berechnung der zulässigen Lenkwinkel zu Schwierigkeiten führen weshalb ein erhöhter Rechenaufwand notwendig wird.

Fig. 4b zeigt eine autonome mobile Einheit mit einem Beob­ achtungsbereich BB2, welcher größer ist als der in Fig. 4a dargestellte BB1 mit zwei Sicherheitszonen safety_small und safety_large.

Beispielsweise soll hier sichergestellt werden, daß die auto­ nome mobile Einheit AE auch bei schneller Vorwärts- oder Rückwärtsfahrt nicht mit Hindernissen kollidiert. In Abhän­ gigkeit der Fahrgeschwindigkeit der Einheit kann deshalb eine größere Beobachtungszone BB2 gewählt werden. Damit wird einem Steuerrechner eine weiterreichende Fahrwegplanung ermöglicht. Diese Vorgehensweise bietet sich auch an, wenn wenige Hinder­ nisse in der Umgebung vorhanden sind, so daß durch eine ge­ eignete Wahl eines Beobachtungsbereiches BB2 beispielsweise die Zahl der zu evaluierenden Hindernisse immer konstant ge­ halten werden kann. Damit kann beispielsweise eine gleichmä­ ßige Auslastung des Rechners erreicht werden bzw. eine Über­ lastung verhindert werden. Zur Kompensation der Massenträg­ heit bei schneller Vorwärtsfahrt der autonomen Einheit AE können unterschiedlich große Sicherheitszonen safety_small und safety_large gewählt werden. In Abhängigkeit einer Fahr­ geschwindigkeit wird zum Beispiel bei kleiner Geschwindigkeit safety_small und bei großer Geschwindigkeit safety_large ge­ wählt. Es ist aber auch denkbar, daß zu ermittelnde Lenkwin­ kelbereichsfelder simultan für die große und für die kleine Sicherheitszone ermittelt werden. Lenkwinkelbereichsunter­ schiede, die sich aus dem Beobachtungsbereich BB2 und dem unterschiedlichen großen Sicherheitszonen ergeben, können für die Fahrwegplanung ausgewertet werden. Beispielsweise kann beim Eintritt eines Hindernisses in die Sicherheitszone safety_large ein Abbremsvorgang der autonomen mobilen Einheit eingeleitet werden.

Fig. 5 zeigt wie aus einer Kombination von unterschiedlichen Sicherheitszonen SZ2 und SZ1 mit unterschiedlichen Beobach­ tungshorizonten ein erlaubter Lenkwinkel gefunden werden kann.

Hier werden exemplarisch nur drei Kombinationen FN, FM und FG betrachtet. Es sind durchaus andere Kombinationen von Sicher­ heitsabständen und Beobachtungsbereichen denkbar. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren zu beeinträchtigen sind verschie­ dene Kombinationen aus Sicherheitszonen und Beobachtungsbe­ reichen möglich, um eine Fahrwegplanung global oder auch lo­ kal für die autonome Einheit durchzuführen. Hier sind exem­ plarisch drei Kombinationen angegeben, mit welchen experimen­ telle Untersuchungen durchgeführt wurden und die sich als günstig herausgestellt haben.

Mit FN wird ein Nahfeld angegeben in welchem die Sicherheits­ zone sehr klein gewählt wird, das heißt beispielsweise im Be­ reich von 1 cm liegt und der Beobachtungsbereich im Bereich von 15 cm liegt. In der Regel sollte FN angewendet werden im Nahbereich bei kleiner Geschwindigkeit und beim Durchfahren enger Passagen. Bei den Kombinationen FM und FG ist ein kon­ stanter Beobachtungsbereich mit beispielsweise einer Ausdehnung von 45 cm vorgesehen, wobei jedoch der Kolli­ sionsanalyse bei FM eine kleinere Sicherheitszone SZ1 und für FG eine größere Sicherheitszone SZ2 zugrundegelegt wurde.

Da sich direkt vor der Einheit das Hindernis H befindet, kann der erste im Rahmen einer globalen Fahrwegplanung festgelegte Lenkwinkel des_steer1 nicht eingehalten werden. Es muß deswe­ gen ein Ausweichwinkel des_steer2 gefunden werden. Wie er­ kannt werden kann ergibt sich in FN kein zulässiger Steue­ rungswinkel. Ebenso kann erkannt werden, daß in FG kein zu­ lässiger Lenkwinkel gefunden wird, der noch Vorwärtsfahrt der autonomen mobilen Einheit erlaubt. Lediglich in FM ergibt sich der Steuerungswinkel des_steer2 als zulässiger Steue­ rungswinkel, denn er befindet sich im weißen Bereich, das heißt im zulässigen Lenkwinkelbereich. Hier wird plastisch veranschaulicht, daß durch eine Variation der Größe der Si­ cherheitszone, hier ein Übergang von SZ2 nach SZ1 und eine geeignete Wahl eines Beobachtungsbereiches, beispielsweise 45 cm auch in engen Passagen, oder vor Hindernissen ein optima­ ler Lenkwinkel gefunden werden kann. Optimal bedeutet hier es wird zwar nicht direkte Vorwärtsfahrt erreicht, wie sie durch des_steer1 vorgegeben wird, jedoch kann ein Lenkwinkel gefun­ den werden, der immerhin noch eine Fahrt in Richtung des Zie­ les der autonomen Einheit erlaubt. Solche Ausweichmanöver können durchaus im Rahmen einer Bewegungssteuerung und einer globalen Fahrwegplanung beispielsweise mit einem Wandfolge­ verfahren kombiniert werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel zur Ermittlung eines Lenkwinkels für eine autonome mobile Einheit. In Fig. 6a ist dargestellt, daß sich der gewünschte Steuerwinkel, welcher beispielsweise im Rahmen einer globalen Fahrwegplanung ermit­ telt wurde, und der resultierende Steuerwinkel des_steer und res_steer übereinstimmen und diese gefahren werden können.

In Fig. 6b ist veranschaulicht, wie beispielsweise ein ande­ rer resultierender Steuerwinkel res_steer als der gewünschte Steuerwinkel des_steer gewählt wird, obwohl beide innerhalb eines erlaubten Lenkwinkelbereiches anzutreffen sind. Wie Fig. 6b zeigt, ist der erlaubte Lenkwinkelbereich sehr klein. Diese Situation kann eintreten, wenn sich die selbstbewegli­ che mobile Einheit innerhalb einer engen Passage bewegt. Um für die Weiterfahrt optimale Ausweichmöglichkeiten bieten zu können, wird der resultierende Steuerwinkel res_steer in der Mitte des erlaubten Lenkwinkelbereiches eingestellt. Dies hat zur Folge, daß sich die autonome Einheit AE exakt in der Mitte zwischen zwei ermittelten Hindernissen, oder in der Mitte einer engen Passage bewegen kann.

Fig. 6c zeigt ein weiteres Beispiel zur Ermittlung eines gültigen Lenkwinkels. Auch hier ist der gewünschte Steuer­ winkel des_steer angegeben und der resultierende Lenkwinkel res_steer gezeigt. Da sich der gewünschte Steuerwinkel inner­ halb eines verbotenen Lenkwinkelbereiches befindet, muß ein Steuerwinkel gefunden werden, welcher sich innerhalb des zu­ lässigen Lenkwinkelbereiches befindet. Hierzu sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, beispielsweise den gewünsch­ ten Steuerwinkel um eine festgelegte experimentell bestimmte Schrittweite zu variieren, um einen resultierenden Steuer­ winkel zu finden, der sich innerhalb des erlaubten Lenkwin­ kelbereiches befindet. Um eine Ausweichrichtung festzulegen wird die Variation beispielsweise zunächst links und dann rechts probiert. So wird festgestellt, ob durch die gewählte Winkelvariation sector_width2 ein resultierender Lenkwinkel gefunden werden kann, der sich innerhalb des erlaubten Lenk­ winkelbereiches befindet. In Fig. 6c führt die Variation des gewünschten Steuerungswinkels mit sector_width2 nach rechts zu einem gangbaren Ergebnis. Es ist weiterhin denkbar, daß die Variationsschrittweite in Abhängigkeit der Größe der ver­ botenen Lenkwinkelbereichszone vergrößert oder verkleinert wird. Die in Fig. 6a bis c dargestellten Strategien wurden experimentell durch eine gute Fahrwegplanung bestätigt.

Vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren vor al­ len Dingen beim Einsatz von zellular strukturierten Umge­ bungskarten zur Orientierung der autonomen mobilen Einheit einsetzen. Die Lenkwinkelbereiche für die einzelnen Hinder­ nissen lassen sich besonders einfach in einem Feld abspei­ chern, auf das während der Bewegung der mobilen Einheit glo­ bal zugegriffen werden kann. Translationen, oder auch die Verringerung von Belegungsgradwerten lassen sich so für alle Hindernisse gemeinsam durchführen.

Allgemein kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
Bei der folgenden Beschreibung werden wechselweise die Fig. 5 und 6 referenziert. Die Bezugnahme läßt sich aus den jeweiligen Bezugszeichen ableiten.

Es wird vorzugsweise versucht zuerst immer einen passenden Lenkwinkel im Bereich FG zu finden, damit die Einheit den größeren Sicherheitsabstand zu den Hindernissen hält. Die Geschwindigkeit der Einheit kann dann auch relativ groß ge­ wählt werden.

Ist der gewünschte Lenkwinkel (des_steer) verboten, so wird im Bereich FG von des_steer aus nach links und rechts bis zu ei­ ner maximalen Suchweite (search_width = 90°) gesucht, ob ein Lenkwinkel erlaubt ist. Der nächste erlaubte Lenkwinkel wird dann gefahren. Bei des_steer2 in Fig. 5 wird z. B. der Lenkwinkel a gefahren.

Wird innerhalb search_width kein erlaubter Lenkwinkel im Be­ reich FG gefunden, so wird mit dem selben Algorithmus im Be­ reich FM nach einem passenden Steuerungswinkel gesucht. Bei des_steer1 wird z. B. im Bereich FG kein Lenkwinkel gefunden. Im Bereich FN wird dann der Lenkwinkel b gefunden. Falls ein Lenkwinkel aus dem Bereich FM zum Fahren genommen wird, so wird auch die Geschwindigkeit reduziert, da der Si­ cherheitsabstand kleiner ist.

Wird sowohl im Bereich FG als auch im Bereich FM kein Lenkwinkel gefunden, dann schwenkt die Einheit beispielsweise auf der Stelle hin und her. Dadurch sollen fälschlicherweise belegte Gridzellen in einer zellular strukturierten Karte gelöscht werden.

Ist der gewünschte Lenkwinkel des_steer befahrbar, dann wird zum Beispiel zusätzlich noch geprüft, ob nach links und nach rechts noch einige Lenkwinkel befahrbar sind.

Sind in jede Richtung bis mindestens sector_width/2 die Lenk­ winkel noch befahrbar, so wird wie in Fig. 6a res_steer identisch des_steer gewählt.

Sind nach links und rechts nicht mehr ausreichend viele Lenk­ winkel erlaubt, so wird res_steer beispielsweise so gewählt, daß er sich wie in Fig. 6b in der Mitte eines erlaubten Lenkwinkelbereiches befindet. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß die Einheit in einer engen Passage genau in der Mitte fährt.

Befindet sich der gewünschte Lenkwinkel in einem verbotenen Bereich, so wird in beiden Richtungen nach einem erlaubten Lenkwinkel gesucht. Wenn nun ein erlaubter Winkel gefunden wurde, so wird beispielsweise erneut die Mitte eines erlaub­ ten Sektors gesucht. Ist die Menge der gefundenen erlaubten Lenkwinkel größer als sector_width, dann wird zum Beispiel derjenige Lenkwinkel ausgewählt, der wie in Fig. 6c sector_width/2 vom ersten erlaubten Lenkwinkel entfernt ist.

Dies bewirkt, daß die Einheit beim Vermeiden von Hindernissen etwas stärker als unbedingt notwendig ausweicht, wenn genü­ gend freier Platz vorhanden ist. Diese Verhaltensweise ist sinnvoll, da die Einheit dann mehr Platz zum Hindernis läßt und nicht so stark abbremsen muß.

Die Lenkwinkelbereichsfelder können sehr gut zur Geschwindig­ keitssteuerung verwendet werden.

Eine einfache Geschwindigkeitssteuerung ist möglich, wenn man jedem Lenkwinkelbereichsfeld einen Geschwindigkeitsfaktor zu­ ordnet.

v_ref = speed_factor _* v_ref_max

v_ref ist die Geschwindigkeit, die das virtuelle Antriebsrad (Nachlaufrad) fahren soll. v_ref_max ist eine vorgegebene ma­ ximale Geschwindigkeit. Wird nun ein Lenkwinkel aus dem Bereich FG genommen, so wird auch der entsprechende Geschwindigkeitsfaktor für dieses Feld eingestellt. Der Geschwindigkeitsfaktor für dieses Feld beträgt beispielsweise 1.0, d. h. maximale Geschwindigkeit, da hierfür die größte Sicherheitszone verwendet wird. Die Geschwindigkeits-Faktoren der Bereiche FM und FN sind angemessen kleiner zu wählen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Kollisionsvermeidung für eine autonome mobi­ le Einheit,

• a) bei dem unter Zuhilfenahme mindestens der Antriebs- und Lenkgeometrie, sowie der äußeren Abmessungen der mobilen Einheit mindestens der kürzeste Fahrweg der Einheit von ihrem Standort bis zur Kollision mit mindestens einem Hindernis als Kollisionsabstand ermittelt wird,
• b) bei dem unter Verwendung der Geometriedaten aus a) und des Kollisionsabstandes jeweils ein an der Einheit einzustel­ lender Lenkwinkel ermittelt wird, der bei Rechts- und Linksvorbeifahrt der Einheit am mindestens einen Hindernis eben nicht zu einer Kollision mit dem Hindernis führt, so daß sich daraus ein erster erlaubter Lenkwinkelbereich in Bezug auf den Standort der autonomen mobilen Einheit er­ gibt,
• c) und bei dem nur solche Hindernisse berücksichtigt werden, welche sich innerhalb eines festgesetzten variablen Beob­ achtungsbereiches zwischen der Einheit und einer um sie herumgezogenen Grenzlinie befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei Beobachtungsbereiche festgesetzt wer­ den, wobei ein erster Beobachtungsbereich vergleichsweise klein zu den Abmessungen der Einheit, und ein zweiter Beob­ achtungsbereich vergleichbar mit den Abmessungen der Einheit festgesetzt und jeweils mindestens ein erlaubter Lenkwinkelbereich bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche,

• a) bei dem je Hindernis mindestens ein erlaubter Lenkwinkel­ bereich ermittelt und in einem Lenkwinkelbereichsfeld ab­ gelegt wird
• b) und bei dem der für die autonome mobile Einheit erlaubte Lenkwinkelbereich als Schnittmenge aus mehreren erlaubten Lenkwinkelbereichen des Lenkwinkelbereichsfeldes gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem lediglich solche Hindernisse berücksichtigt werden, welche sich außerhalb einer Sicherheitszone um die autonome Einheit herum befinden, wobei die Sicherheitszone kleiner als der Beobachtungsbereich ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Beobachtungsbereich in Abhängigkeit einer von der Einheit gefahrenen Fahrgeschwindigkeit gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem für vergleichsweise kleine Fahrgeschwindigkeit minde­ stens der erste Beobachtungsbereich und für vergleichsweise große Fahrgeschwindigkeit mindestens der zweite Beobachtungs­ bereich gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der erlaubte Lenkwinkelbereich als Schnittmenge des für den ersten Beobachtungsbereich erlaubten Lenkwinkelbereiches mit dem für den zweiten Beobachtungsbereich erlaubten Lenkwinkelbereich gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem für mindestens einen Beobachtungsbereich mindestens zwei Sicherheitszonen festgesetzt, und die jeweils zugehöri­ gen Lenkwinkelbereichsfelder ermittelt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche das zy­ klisch ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach Feststellung eines Hindernisses in einer Sicherheitszone, die autonome mobile Einheit rückwärts fährt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem falls kein erlaubter Lenkwinkelbereich bestimmbar ist, dies dazu führt, daß die Sicherheitszone verkleinert wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die autonome mobile Einheit sich anhand einer zellu­ lar strukturierten Umgebungskarte orientiert und ein Hindernis in der Karte durch einen Belegungsgrad angezeigt wird.