DE60304450T2 - Verbesserung eines steuerverfahrens für einen mobilen autonomen roboter und dazugehörige vorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines mobilen und autonomen robotischen Gerätes.
• Die Mehrzahl der autonomen mobilen Geräte, wie automatische Rasenmäher, benutzen, um ihre Bewegung auf einen bestimmten Arbeitsbereich zu begrenzen, eine elektronische Begrenzung, die aus einem Draht besteht, der an der Peripherie der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet ist und durch den ein niederfrequentes elektrisches Signal geringer Intensität fließt (z.B. einige Dutzend mA bei 5 KHz).
• Eine präzise Kenntnis der Amplitude und der Phase des Signals kann den Roboter in die Lage versetzen, sich innerhalb der Begrenzung aufzuhalten, die durch einen begrenzenden Draht definiert wird. Die Verwendung der präzisen Messung der Amplitude des Signals im Rahmen eines Navigationssystems für automatische Rasenmäher ist bereits in der Patentanmeldung WO 98/41081 beschrieben worden.
• Die Messung der Phase des Signals kann es ermöglichen, zu bestimmen, ob die Messung innerhalb oder außerhalb der Schleife, die das Magnetfeld erzeugt, erfolgt ist. Beim Übergang vom Inneren der Schleife zu deren Außenbereich ändern die Kraftlinien in der Tat ihre Richtung und erzeugen gemäß den allgemeinen Gesetzen des Elektromagnetismus einen Phasenwechsel des Signals um 180°.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirksame und kostengünstige Meßvorrichtung vorzuschlagen, die in einem Vorgang eine präzise Messung der Amplitude des Signals mit einem konstanter Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht, ungeachtet der Position des Mobils hinsichtlich der Oberfläche, und die die Generierung einer Phaseninformationen ermöglicht, die es dem Mobil erlaubt, mit Sicherheit zu bestimmen, ob es sich innerhalb oder außerhalb der zu überstreichenden Oberfläche befindet.
• Eines der Merkmale der Vorrichtung und des Verfahrens nach der Erfindung besteht in der Verwendung einer speziellen Variante eines Filters für die Messung der Amplitude, der für die Erkennung periodischer Signale geeignet ist, wie er bereits zum Beispiel in der Astronomie für die Beobachtung entfernter Sterne unter der Bezeichnung "multichannel scaler" oder "averager" benutzt wird. Dieser Filtertyp ist in der Literatur zum Beispiel in "The art of electronics", P. Horowitz, Cambridge University Press, 2. Ausg. Kap. 15, § 13 und folgende beschrieben.
• Diese Art von Vorrichtung führt mehrere synchrone Messungen der Amplitude des Signals während jeder Periode durch. Die Anzahl der Messungen pro Periode variiert von 4 bis 64. Jede Messung wird in einem autonomen Speicher (die Speicherzellen) gespeichert. Die Messungen werden während mehrerer Perioden wiederholt, und die entsprechenden Stichproben werden in jeder Speicherzelle addiert.
• Mit anderen Worten wird die Form des Signals modulo ihrer Periode dazu addiert.
• Der Vorteil der Verwendung einer solchen Vorrichtung bei einem mobilen autonomen Gerät besteht darin, daß sie es ermöglicht, auf einfache Weise aus dem durch das Gerät erzeugten, in die Messung mit eingetragenen elektrischen Rauschen die Phase und die Amplitude des periodischen Signals, die aus dem begrenzenden Draht stammen, zu extrahieren.
• Am Ende jeder Periode wird der Inhalt der Speicherzellen mit einer festen Referenz verglichen. Wenn der Inhalt keiner der Speicherzellen den Referenzwert überschreitet, wird ein Zähler erhöht. Nach einer gewissen Anzahl von Wiederholungen überschreitet der Inhalt einer der Speicherzellen notwendigerweise den Referenzwert. Der Wert des Zählers wird gespeichert und der Zähler wird auf Null zurückgesetzt.
• Der gespeicherte Wert C des Zählers, der eventuell mit einem Kalibriervorgang verbunden ist, erlaubt es, den Abstand der Maschine von dem begrenzenden Draht zu ermitteln. Je weiter die Maschine vom Draht entfernt ist, desto schwächer ist das Signal, und um so höher wird die Anzahl der notwendigen Messungen sein, um den Referenzwert zu erreichen.
• Der Abstand kann zum Beispiel dadurch errechnet werden, daß die Beziehung c = K·x ((D – x)/D) verwendet wird, wobei man zwei parallele Drähte annimmt, X ist der Abstand des Mobils vom Draht, D ist der Abstand zwischen den Drähten und K ist eine Konstante, die die Verstärkung der Vorrichtung berücksichtigt.
• Wie ersichtlich, ist es einer der Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung, daß das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung ungeachtet des Wertes des Signals konstant bleibt, das heißt, ungeachtet des Abstandes der Maschine vom begrenzenden Draht ist der Faktor der Selektivität des Filters proportional zur Anzahl der Messungen und der letztere ist umgekehrt proportional zur Amplitude des Signals.
• Die Gesamtheit der Speicherzellen gibt ebenfalls eine Darstellung der Form des Signals (je höher die Anzahl der Messungen pro Periode ist, desto präziser ist die Form des Signals).
• Die numerische Analyse der Form der Welle durch den Bordrechner ermöglicht es auf einfache Weise, einen Phasenwechsel des Signals zu erkennen, insbesondere, wenn dieses asymmetrisch ist.
• Im Falle eines symmetrischen Signals muß vom Bordrechner eine Phasenreferenz gespeichert werden. Dieses kann entweder durch Verwendung eines stabilen lokalen Oszillators erreicht werden, dessen Phase der Phase des begrenzenden Signals mit Hilfe einer PLL-Schaltung folgt, wobei die Rückkopplungsschleife offen ist, wenn das Mobil den Bereich verläßt, oder durch Verwendung einer zweiten Spule, die auf einer Seite des mobilen Gerätes angeordnet ist. In diesem letzteren Fall befindet sich, wenn das Gerät die Grenze überquert, eine der zwei Spulen auf der Außenseite, und die andere innerhalb des vom begrenzenden Draht umgebenden Areals. Der Phasenunterschied wird sofort erkannt, und das Gerät kehrt vollständig in das Innere seiner zu bearbeitenden Oberfläche zurück.
• Es ist festzustellen, daß, unabhängig vo Erkennen des Phasenwechsels um 180°, der durch ein Überschreiten des begrenzenden Drahtes verursacht wurde, das System ebenfalls geeignet ist, eine Phasenmodulation zu erkennen, die durch den Generator des begrenzenden Drahtes erzeugt wurde und folglich eine Mitteilung aufzunehmen, die durch den begrenzenden Draht zur Maschine gesendet wird. Diese Mitteilung kann eine Mitteilung zur Parametrierung oder eine Übermittlung eines Auftrages, zum Beispiel den zur Rückkehr des Roboters zur Ladestation, sein.
• Zusammenfassend schlägt die Erfindung also unter anderem eine Navigationsvorrichtung für mobile Roboter vor, die einen Mikroprozessor und ein Mittel zur Messung der Amplitude eines periodischen elektromagnetischen Niederfrequenzsignales umfaßt, dessen Häufigkeit von 1 bis 15 KHz variiert, das durch ein oder mehrere Begrenzungselemente emittiert wird, zum Beispiel einem Draht, der an der Peripherie der Arbeitsoberfläche des mobilen Roboters angeordnet ist, wobei das besagte Meßmittel während jeder Periode eine Messung der Amplitude des Signals durchführt, das Ergebnis jeder Analyse der Messung in unabhängigen Speichern gespeichert wird und die Messungen während mehrerer Perioden wiederholt werden, wobei die erzielten Ergebnisse in den besagten Speichern so lange addiert werden, bis der Inhalt eines dieser Speicher eine Referenzschwelle erreicht hat, wobei die Anzahl der erforderlichen Analysen und der Inhalt jedes Speichers durch den Mikroprozessor interpretiert werden können, um den Abstand oder die Abstandsänderung in Bezug auf die besagten Begrenzungselemente zu ermitteln.
• Die im Anhang gezeigten Darstellungen illustrieren die Erfindung lediglich anhand eines Beispiels.
• Die 1 bis 3 zeigen die Entwicklung des Inhalts der Speicherzellen nach 2, 10, beziehungsweise 36 Perioden von 200 μsec. Bei der 36. Periode überschreitet der Inhalt der Speicherzelle Nr. 5 den festgelegten Wert von 18 Einheiten (feste Referenz).
• Diese Anzahl an Perioden ebenso wie eventuell der präzise Wert des Inhaltes der Speicherzelle Nr. 5 werden gespeichert und durch den Bordrechner genutzt, um den Abstand in Bezug auf den begrenzenden Draht zu bestimmen. Diese Bestimmung kann relativ oder absolut sein. Eine relative Bestimmung ist ausreichend, wenn das autonome Gerät nach seinem internen Navigationsalgorithmus einfach einer parallelen Strecke entlang des begrenzenden Drahtes folgen muß.
• 4 zeigt ein Blockdiagramm, das die die verschiedenen Phasen des Meßzyklusses erläutert.
• Die 5 und 6 illustrieren den Inhalt der Speicherzellen für ein asymmetrisches absolutes Haltsignal, sofern sich das Gerät innerhalb beziehungsweise außerhalb des begrenzenden Drahts befindet umgekehrt.
• Wenn man den Inhalt der Speicherzellen für zwei um 180° phasenverschobene asymmetrische Signale betrachtet, so sieht man leicht, daß es im Falle des Signals von 5 vier positive Speicherzellen hat und daß im Falle des Signals von 6 zwölf davon vorhanden sind.
• Die Erfindung kann für andere Vorrichtungen als Rasenmäher angewendet oder an diese angepaßt werden, z.B. Vorrichtungen zum Einsammeln von Gegenständen oder Staubsauger-Roboter.

Claims (12)

1. Navigationsvorrichtung für einen beweglichen Roboter, mit – einem Mittel zur Messung der Amplitude eines periodischen elektromagnetischen Signals, das von einem oder mehreren Begrenzungselementen, zum Beispiel einem Draht, ausgesandt wird, die an der Peripherie der Arbeitsfläche des beweglichen Roboters angeordnet sind, wobei die Messungen während mehrerer Perioden wiederholt werden, – einem Mittel für eine Analyse der Amplitude des Signals während jeder Periode, – unabhängigen Speichern, um das Ergebnis jeder Analyse zu speichern, wobei die erzielten Ergebnisse in die besagten Speicher addiert werden, bis der Inhalt eines dieser Speicher eine Referenzschwelle erreicht hat, – einem Mikroprozessor, der geeignet ist, durch numerische Analyse die Anzahl der Analysen zu ermitteln, die erforderlich sind, um die besagte Schwelle und den Inhalt jedes Speichers zu erreichen, wobei der besagte Mikroprozessor auch geeignet ist, den Abstand oder die Abstandsänderung in Bezug auf die besagten Begrenzungselemente zu bestimmen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Mittel zur Messung der Amplitude auch ein Mittel zur Messung der Phase ist.
3. Navigationsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Mikroprozessor geeignet ist, durch numerische Analyse die Form des Signals zu ermitteln und geeignet ist, eine Phasenänderung zu ermitteln, die dadurch hervorgerufen wird, daß der Roboter die Begrenzungselemente überquert.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Mikroprozessor ein Mittel umfaßt, um durch numerische Analyse eine Phasenmodulation zu ermitteln, die durch den Generator des begrenzenden Drahtes erzeugt wurde, und um daraus eine Mitteilung abzuleiten, die über den begrenzenden Draht an den beweglichen Roboter übermittelt wurde.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Mitteilung ein Befehl zur Rückkehr des Roboters zu einer Ladestation ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Bordrechner ein Mittel umfaßt, um eine Phasenreferenz beizubehalten.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diese für einen automatischen Rasenmäher geeignet ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Frequenz des periodischen elektromagnetischen Signals zwischen 1 und 15 kHz variiert.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit zwei Detektoren zum Erfassen der Amplitude des periodischen Signals, die sich an zwei verschiedenen Bereichen des beweglichen Gerätes befinden.
10. Verfahren zur Kontrolle eines beweglichen autonomen Gerätes, das die Messung der Amplitude und der Phase eines periodischen elektromagnetischen Signales umfaßt, das von einem oder mehreren Begrenzungselementen, zum Beispiel einem Draht, ausgesandt wird, die an der Peripherie der Arbeitsfläche des beweglichen Roboters angeordnet sind, wobei das besagte Meßmittel während jeder Periode eine Analyse der Amplitude des Signals durchführt und wobei das Ergebnis jeder Analyse in unabhängigen Speichern gespeichert wird und wobei die Messungen während mehrerer Perioden wiederholt werden und die erhaltenen Ergebnisse in den besagten Speichern addiert werden, bis der Inhalt eines dieser Speicher eine vorbestimmte Referenzschwelle erreicht, wobei die erforderliche Anzahl der Analysen und der Inhalt jedes Speichers über eine numerische Analyse durch den Mikroprozessor evaluiert werden, um den Abstand oder die Abstandsänderung in Bezug auf die besagten Begrenzungselemente und/oder die Form des periodischen Signales zu ermitteln.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Anzahl der Analysen pro Periode zwischen 4 und 64 variiert.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem dann ein Befehl zur Rückkehr des robotischen Gerätes empfangen wird, wenn eine Phasenmodulation, die durch den Generator des Begrenzungselementes erzeugt wird, festgestellt wird.