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SENSORANORDNUNG
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
von Sensoren für
eine autonomes Fahrzeug, insbesondere, aber nicht ausschließlich für einen
autonomen Staubsauger.
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Ein autonomes Fahrzeug weist allgemein eine
Vielzahl von Sensoren zum Erfassen von Hindernissen in dem Weg des
Fahrzeugs auf, um Kollisionen oder Unfälle zu verhindern. Während einige autonome
Fahrzeuge mit wellenförmigen
Oberflächen
fertig werden können,
müssen
sie normalerweise irgendwelche Gebiete vermeiden, in denen eine starke
Höhenänderung
vorhanden ist, wie beispielsweise an Stufen, wo eine Gefahr besteht,
dass die Maschine eingeklemmt wird oder fällt, wodurch eine Beschädigung an
dem Fahrzeug und anderen Sachen verursacht wird. Es ist bekannt
ein autonomes Fahrzeug mit Sensoren zu versehen, die die Anwesenheit
einer Oberfläche überwachen;
diese Sensoren werden oft als „herunterschauende" oder „Herunterfall-„ Sensoren
bezeichnet.
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Eine Roboterreinigungseinrichtung,
die in der Patentanmeldung WO 93/03399 beschrieben wird, weist Herunterfall-Sensoren
an einer vorderen Kante der Reinigungseinrichtung auf und ist dafür ausgelegt,
um die Antriebsmotoren anzuhalten, wenn einer der Herunterfall-Sensoren
die Anwesenheit einer Oberfläche
unterhalb der Reinigungseinrichtung erfasst. Die
US 5,377,106 beschreibt ein unbemanntes
Reinigungsfahrzeug mit vier Herunterfall-Sensoren, die auf einer
Stoßstange
und Seitenwänden
des Fahrzeugs angebracht sind. Das Fahrzeug stoppt, wenn irgendeiner
der Sensoren einen übermäßigen Abstand
zwischen dem Sensor und dem Boden erfasst.
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Sicherheitsvorschriften fordern,
dass heruntersehende Sensoren das Fahrzeug veranlassen sollten,
immer dann anzuhalten, wenn die Sensoren die Abwesenheit einer Oberfläche erfassen.
Dies schränkt
stark die Flexibilität
einer Steuerung des Fahrzeugs in der Nähe von irgendwelchen Stellen, wo
eine starke Höhenänderung
vorhanden ist, ein. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine
größere Flexibilität beim Betrieb
eines autonomen Fahrzeugs unter diesen Bedingungen bereitzustellen.
Die Erfindung ist mit den nebengeordneten Ansprüchen 1, 11, 12 und 13 definiert.
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Gemäss eines ersten Aspekts der
Erfindung ist ein autonomes Fahrzeug vorgesehen, umfassend Räder, um
das Fahrzeug zu stützen,
und dem Fahrzeug zu erlauben, eine Oberfläche zu durch- bzw. überqueren,
nach unten gerichtete (nach unten sehende) Radsensoren zum Erfassen
der Anwesenheit einer Oberfläche
vor den Rädern,
einen weiteren Sensor an oder in der Nähe einer führenden Kante des Fahrzeugs
zum Erfassen der Anwesenheit einer Oberfläche unterhalb der führenden
Kante des Fahrzeugs, und eine Steuervorrichtung zum Steuern einer
Bewegung des Fahrzeugs, wobei die Steuervorrichtung angeordnet ist,
um eine Bewegung des Fahrzeugs zu erlauben, wenn der Sensor der
führenden
Kante die Abwesenheit einer Oberfläche unterhalb der führenden
Kante des Fahrzeugs erfasst, vorausgesetzt, dass die Radsensoren
die Anwesenheit einer Oberfläche
benachbart zu dem Rad anzeigen. Dies hat den Vorteil, dass eine
größere Flexibilität bei der
Steuerung einer Bewegung der Reinigungseinrichtung erlaubt wird.
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Vorzugsweise ist das Fahrzeug angeordnet, um
so zu arbeiten, dass dann, wenn der Sensor der führenden Kante die Abwesenheit
einer Oberfläche unterhalb
der führenden
Kante des Fahrzeugs erfasst, das Fahrzeug eine Kantenfolgeroutine
ausführt.
Die Kantenfolgeroutine kann eine Zig-Zag-Bewegung entlang der Kante
sein, oder sie kann einen weiteren nach unten gerichteten (nach
unten sehenden) Sensor verwenden, der die Anwesenheit einer Oberfläche angrenzend
zu einer Seitenkante des Fahrzeugs erfasst.
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Weitere Aspekte der Erfindung stellen
ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs, eine Software
zum Ausführen
eines Verfahrens zum Steuern eines Betriebs eines autonomen Fahrzeugs,
und eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Betriebs eines autonomen
Fahrzeugs bereit.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines autonomen Fahrzeugs, insbesondere
eines Staubsaugers, in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
Vorderansicht des autonomen Fahrzeugs der 1;
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3 eine
hintere Ansicht des autonomen Fahrzeugs der 1;
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4a und 4b Seitenansichten, in Blickrichtung
von der rechten bzw. linken Seite, des autonomen Fahrzeugs der 1;
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5a und 5b Ansichten von unten bzw. von oben des
autonomen Fahrzeugs der 1;
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6 eine
schematische Ansicht, die die Positionierung von Infrarotsensoren
auf dem autonomen Fahrzeug der 1 darstellt;
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7 eine
schematische Ansicht, die die Gruppenanordnung von Infrarotsensoren
auf dem autonomen Fahrzeug der 1 darstellt;
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8 eine
schematische Ansicht, die die Positionierung von Ultraschallsensoren
auf dem autonomen Fahrzeug der 1 darstellt;
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9 eine
schematische Ansicht, die die Positionierung von weiteren Infrarotsensoren
auf dem autonomen Fahrzeug der 1 darstellt;
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10 die
Form eines nach unten gerichteten (nach unten sehenden) Sensors;
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11 schematisch,
wie die nach unten sehenden Sensoren von dem Steuersystem für das Fahrzeug
verwendet werden;
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12 ein
Steuersystem für
den Reiniger;
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13 ein
Beispiel eines seitlich nach unten sehenden Sensors;
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14 und 15 zwei Vorgehensweisen, mit denen der
Reiniger arbeiten kann, wenn der Reiniger eine Kante einer Oberfläche erreicht,
die er gerade reinigt; und
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16 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Reinigers.
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Die illustrierte Ausführungsform
nimmt die Form eines autonomen Staubsaugers an. Der Staubsauger 100,
der in den besagten Zeichnungen gezeigt ist, weist ein Halterangs-
bzw. Stützchassis 102 auf,
das allgemein kreisförmig
in der Form ist und auf zwei angetriebenen Rädern 104 und einem
Laufrad 106 gehaltert wird. Das Chassis 102 ist
vorzugsweise aus einem Plastikspritzgussmaterial mit hoher Festigkeit,
beispielsweise ABS, hergestellt, kann aber gleichermaßen aus
Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl gebildet sein. Das
Chassis 102 stellt eine Halterung bzw. Stützung für die Komponenten des
Reinigers 100 bereit, die nachstehend noch beschrieben
werden. Die angetriebenen Räder 104 sind
auf jedem Ende eines Durchmessers des Chassis 102 angeordnet,
wobei der Durchmesser senkrecht zu der longitudinalen Achse des
Reinigers 100 liegt. Jedes angetriebene Rad 104 ist
aus einem Plastikmaterial mit hoher Festigkeit gebildet und trägt ein vergleichsweise
weiches geripptes Band um seinen Umfang, um die Rutschfestigkeit
des Rads 104 zu verbessern, wenn der Reiniger 100 einen
glatten Boden überquert.
Das weiche gerippte Band verbessert auch die Fähigkeit der Räder 104 an
kleinen Hindernissen hochzusteigen und über diese zu klettern. Die
angetriebenen Räder 104 sind
unabhängig
voneinander über
Stützlager
(nicht gezeigt) angebracht und jedes angetriebene Rad 104 ist
direkt mit einem Motor 105 verbunden, der in der Lage ist,
das jeweilige Rad 104 in entweder einer Vorwärtsrichtung
oder einer Rückwärtsrichtung
anzutreiben. Durch Antreiben von beiden Rädern 104 nach vorne
bei der gleichen Geschwindigkeit kann der Reiniger 100 in
eine Vorwärtsrichtung
angetrieben werden. Durch Antreiben von beiden Rädern 104 in eine Rückwärtsrichtung
bei der gleichen Geschwindigkeit kann der Reiniger in eine Rückwärtsrichtung
angetrieben werden. Durch Antreiben der Räder 104 in entgegengesetzte Richtungen
kann der Reiniger 100 veranlasst werden, sich um seine
eigene Mittenachse zu drehen, um so ein Abbiegebzw. Wendemanöver zu bewirken. Das
voranstehend erwähnte
Verfahren zum Antreiben eines Fahrzeugs ist altbekannt und wird
deshalb hier nicht weiter beschrieben.
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Das Laufrad 106 ist im Durchmesser
wesentlich kleiner als die angetriebenen Räder 104, wie sich beispielsweise
aus den 4a und 4b entnehmen lässt. Das
Laufrad 106 wird nicht angetrieben und dient lediglich
zum Abstützen
des Chassis 102 an der hinteren Seite des Reinigers 100.
Die Anordnung des Laufrads 106 an der hinteren Kante des
Chassis 102 und die Tatsache, dass das Laufrad 106 auf
dem Chassis über
ein Schwenkgelenk 110 schwenkbar angebracht ist, erlaubt
dem Laufrad 106 hinter dem Reiniger 100 in einer
Weise hinterher zu laufen, die die Manövrierfähigkeit des Reinigers 100 nicht
behindert, während
er mit Hilfe der angetriebenen Räder 104 angetrieben
wird. Das Laufrad 106 kann aus einem Plastikspritzgussmaterial
gebildet sein oder kann aus irgendeinem anderen synthetischen Material,
beispielsweise Nylon, gebildet sein.
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Auf der Unterseite des Chassis 102 ist
ein Reinigerkopf 122 angebracht, der eine Ansaugöffnung 124 einschließt, die
auf die Oberfläche
gerichtet ist, auf der der Reiniger 100 gestützt wird.
Die Ansaugöffnung 124 ist
im wesentlichen rechteckförmig und
erstreckt sich über
den Hauptteil der Breite des Reinigerkopfs 122. Ein Bürstenstab 125 ist
drehbar in der Saugöffnung 124 angebracht
und ein Motor (nicht gezeigt) ist auf der oberen Oberfläche des
Reinigerkopfs 122 angebracht, um den Bürstenstab 125 mit Hilfe
eines Antriebsbands (nicht gezeigt), welches sich zwischen einer
Welle des Motors und dem Bürstenstab 125 erstreckt,
anzutreiben. Der Reinigerkopf 122 ist auf dem Chassis 102 in
einer derartigen Weise angebracht, dass der Reinigerkopf 122 in
der Lage ist auf der Oberfläche,
die gereinigt werden soll, zu schweben. Dies wird in dieser Ausführungsform dadurch
erreicht, dass der Reinigerkopf 122 schwenkbar mit einem
Arm (nicht gezeigt) verbunden ist, der wiederum schwenkbar mit der
Unterseite des Chassis 102 verbunden ist. Die doppelte
Bereitstellung der Verbindung zwischen dem Reinigerkopf 122 und
dem Chassis 102 erlaubt dem Reinigerkopf sich frei in einer
vertikalen Richtung in Bezug auf das Chassis 102 zu bewegen.
Dies versetzt den Reinigerkopf in die Lage über kleine Hindernisse herüber zu klettern,
beispielsweise über
Bücher,
Magazine, Teppichkanten, etc. Hindernisse von bis zu ungefähr 25 mm
Höhe können in
dieser Weise überquert
werden. Ein flexibler oder teleskopischer Kanal ist zwischen einem
hinteren Abschnitt des Reinigerkopfs 122 und einer Einlassöffnung,
die in dem Chassis 102 angeordnet ist, angeordnet.
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Wie sich den 5a und 5b entnehmen lässt, ist
der Reinigerkopf 122 asymmetrisch auf dem Chassis 102 angebracht,
so dass eine Seite des Reinigerkopfs 122 über den
allgemeinen Umfang des Chassis 102 hervorsteht. Dies erlaubt
dem Reiniger 100 bis zu der Kante eines Raums auf der Seite
des Reinigers 100, auf der der Reinigerkopf 122 vorsteht, zu
reinigen.
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Das Chassis 102 trägt eine
Vielzahl von Sensoren, die ausgelegt angeordnet sind, um Hindernisse
in dem Weg des Reinigers 100 und in seiner Nähe beispielsweise
zu einer Wand oder einer Abgrenzung, beispielsweise einem Möbelstück, zu erfassen. Die
Sensoren umfassen mehrere Ultraschallsensoren und mehrere Infrarotsensoren.
Das Feld von Sensoren wird näheren
Einzelheiten nachstehend beschrieben. Eine Steuersoftware, die Navigationssteuerungen
und Lenkeinrichtungen zum Navigieren und Manövrieren des Reinigers 100 um
ein definiertes Gebiet herum umfasst, um den Teppich oder eine andere
Oberfläche
innerhalb des Gebiets zu reinigen, ist innerhalb eines Gehäuses 142 untergebracht,
welches unterhalb eines Steuerfelds 144 oder anderswo innerhalb
des Reinigers 100 angeordnet ist. Die spezifische Konstruktion
der Steuersoftware bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
In der Vorgehensweise von bekannten autonomen Fahrzeugen ist die
Steuersoftware in der Lage die Ausgänge der Sensoren zu empfangen
und die Motoren 105 so anzusteuern, dass Hindernisse gemieden werden,
während
einem Pfad gefolgt wird, der von Algorithmen spezifiziert wird,
die für
die Art des Fahrzeugs geeignet sind. Irgendeine geeignete Software kann
in dieser Weise verwendet werden, um den Reiniger 100 in
einem Raum, der gereinigt werden soll, umher zu navigieren.
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Der Staubsauger 100 umfasst
auch einen Motor- und Gebläseeinheit 150,
die auf dem Chassis 102 gestützt werden, um in den Staubsauger 100 über die
Ansaugöffnung 124 in
dem Reinigerkopf 122 schmutzige Luft anzusaugen. Das Chassis 102 trägt auch
einen Zyklonseperator 152 zum Trennen von Schmutz und Staub
aus der Luft, die in den Reiniger 100 angesaugt wird. Die
Einlassöffnung,
die mit dem hinteren Abschnitt des Reinigerkopfs 122 über den voranstehend
erwähnten
Durchgang in Verbindung steht, bildet den Einlass des Zyklonseperators 152. Der
Zyklonseperator, der vorzugsweise zwei Zyklone in Reihe umfasst,
muss nicht weiter beschrieben werden, da er eine bekannte Technologie
ist und in geeigneter Weise anderswo beschrieben ist.
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Der Zyklonseperator 152 ist
von dem Chassis 102 lösbar,
um ein Entleeren des Zyklonseperators 152 zu ermöglichen.
Eine mit einem Haken versehene Verriegelung (nicht gezeigt) ist
vorgesehen, mit der der Zyklonseperator 152 in Position
gehalten wird, wenn der Reiniger 100 verwendet wird. Wenn die
mit einem Haken versehene Verriegelung freigegeben wird (durch manuelles
Drücken
eines Knopfs 134, der in dem Steuerfeld 144 angeordnet
ist), kann der Zyklonseperator 152 weg von dem Chassis 102 mit
Hilfe von Ergreifungsabschnitten 170 angehoben werden.
Der Zyklonseperator 152 kann dann entleert werden.
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Zwei Batteriepakete 160 befinden
sich auf dem Chassis 102 auf jeder Seite des Zyklonseperators 152.
Die Batteriepakete 160 sind identisch und sind von der
Zentralachse des Staubsaugers 100 um einen signifikanten
Abstand, beispielsweise 50 und 150 mm, beabstandet.
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Der Staubsauger 100, der
voranstehend beschrieben wurde, arbeitet in der folgenden Weise. Damit
der Reiniger 100 das zu reinigende Gebiet überquert,
werden die Räder 104 mit
dem Motor 105 angetrieben, die wiederum von den Batterien 160 mit Energie
versorgt werden. Die Bewegungsrichtung des Reinigen 100 wird
durch die Steuersoftware bestimmt, die mit den Sensoren kommuniziert,
die dafür ausgelegt
sind, um irgendwelche Hindernisse in dem Weg des Reinigers 100 zu
erfassen, um so den Reiniger 100 um das Gebiet herum, welches
gereinigt werden soll, zu navigieren. Die normale Vorwärtsrichtung
des Reinigers 100 ist derart, dass der Reinigerkopf 122 hinter
den angetriebenen Rädern 104 hereilt.
Die Batteriepakete 160 versorgen auch die Motor- und Gebläseeinheit 150,
die Luft in den Reiniger 100 über den Reinigerkopf 122 ansaugt
und diese an den Zyklonseperator 152 leitet, wo der Staub
und Schmutz aus dem Luftfluss getrennt wird, mit Energie. Die Batteriepakete 160 werden
auch verwendet, um den Motor mit Energie zu versorgen, der den Bürstenstab 125 antreibt,
der wiederum mit Aufnehmern, insbesondere auf Teppichen, hilfsweise
zusammen wirkt. Die Luft, die von dem Zyklonseperator 152 austritt,
wird über
die Motor- und Gebläseeinheit 150 durch
eine geeignete Rohrverzweigung geführt, so wie dies in vielen
Geräten,
einschließlich
Staubsaugern, üblich
ist.
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Das Sensorfeld, das einen Teil des
Staubsaugers 100 bildet, wird nun mit näheren Einzelheiten beschrieben.
Das Feld umfasst eine Vielzahl von Ultraschallsensoren und eine
Vielzahl von Infrarotsensoren. Die Mehrzahl der Sensoren ist in
einer vorderen Oberfläche 180 des
Staubsaugers 100 angeordnet. Die vordere Oberfläche 180 ist
in der Draufsicht, wie sich den 5a und 5b entnehmen lässt im wesentlichen halbkreisförmig. Jedoch
sind weitere Sensoren an der obersten Extremität des Reinigers 100,
an der Rückseite
des Reinigers 100, unmittelbar über dem Bürstenstab 122 und
auf der Unterseite des Reinigers 100 angeordnet. Einzelheiten
werden nachstehend angegeben.
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Drei Ultraschallsensoren 202, 204 und 206, die
jeweils aus einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger bestehen,
sind in der vorderen Oberfläche 180 positioniert.
Ein Erster der besagten Ultraschallsensoren 202, der einen
Sender 202a und einen Empfänger 202b umfasst,
ist in einer Vorwärtsrichtung
ausgerichtet, so dass die ausgesendeten Signale in der normalen
Vorwärtsbewegungsrichtung des
Reinigen 100 ausgesendet werden. Ein zweiter Ultraschallsensor 204,
der einen Sender 204a und einen Empfänger 204b umfasst,
ist derart ausgerichtet, dass die ausgesendeten Signale nach außen zur
linken Seite des Reinigen 100 in einer Richtung, die senkrecht
zu der Aussenderichtung von dem Ultraschallsensor 202 ist,
ausgesendet werden. Ein dritter Ultraschallsensor 206,
der einen Sender 206a und einen Empfänger 206b umfasst,
ist derart ausgerichtet, dass die ausgesendeten Signale nach außen zur rechten
Seite des Reinigen 100 in einer Richtung, die senkrecht
zu der Aussenderichtung von dem Ultraschallsensor 202 und
entgegengesetzt zu der Aussenderichtung von dem Ultraschallsensor 204 ist, ausgesendet
werden. Ein vierter Ultraschallsensor 208, der einen Sensor 208a und
einen Empfänger 208b umfasst,
ist hinten an dem Reiniger 100 (siehe 3) angeordnet und ist nach hinten gerichtet,
so dass die ausgesendeten Signale parallel zu der normalen Vorwärtsbewegungsrichtung
des Reinigen 100, aber in die entgegengesetzte Richtung,
ausgesendet werden. Diese vier Sensoren 202, 204, 206, 208 erfassen
die Anwesenheit von Wänden
und Hindernissen vor, links, rechts und hinter dem Reiniger 100.
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Ein fünfter Ultraschallsensor 210 ist
in der vorderen Oberfläche 180 angeordnet.
Der fünfte
Ultraschallsensor 210 umfasst einen Sender 210a und einen
Empfänger 210b.
Der fünfte
Ultraschallsensor 210 ist so positioniert, dass der Sender 210a unter
einem Winkel aussendet, der im wesentlichen in der Mitte zwischen
den Richtungen ist, in denen die nach vorne und nach links schauenden
Sensoren 202, 204 senden. In der Ausführungsform
sendet der Sender 210 in einer Richtung von 45° zu der normalen Vorwärtsbewegungsrichtung
des Staubsaugers 100. Wie sich der 1 entnehmen lässt, sendet der Sender 210 zur
Seite des Reinigers 100, auf der der Reinigerkopf 122 vorsteht.
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8 zeigt
schematisch die Anordnung von Ultraschallsensoren 202, 204, 206, 208 und 210 auf dem
Staubsauger 100, wenn die normale Vorwärtsbewegungsrichtung entlang
des Pfeils F ist. In der gezeigten Anordnung ist der Winkel a 45°, obwohl Veränderungen
in dieser Anordnung möglich
sind.
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Der Einbau des Sensors 210 versieht
das Fahrzeug 100 mit einer größeren Winkelsteuerung, wenn
es sich entlang einer Wand oder eines anderen Hindernisses mit dem
Reinigerkopf 122 nahe zu der Wand bewegt. Der Sensor 210 ist
in der Lage die Anwesenheit einer Wand oder eines ähnlich großen Hindernisses
zu erfassen, und, wenn die Wand oder das andere Hindernis, entlang
dem sich das Fahrzeug bewegt, verschwindet (zum Beispiel, wenn eine Ecke
wahrgenommen wird), dann wird das Fahrzeug 100 über die Änderung
früher
in Kenntnis gesetzt, als dies der Fall gewesen wäre, wenn der Sensor 210 nicht
vorhanden gewesen wäre.
Dies erlaubt dem Fahrzeug Ecken und andere Änderungen in seiner Umgebung
mit größerer Genauigkeit
und Manövrierfähigkeit
wahrzunehmen.
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Eine Vielzahl von Infrarotsensoren
sind ebenfalls in der vorderen Oberfläche 180 eingebaut. Die
Infrarotsensoren umfassen Sender 220 und Empfänger 230.
Die meisten Sender 220 sind in vier Dreiergruppen angeordnet,
die im wesentlichen gleichmäßig über die
vordere Oberfläche 180 beabstandet
angeordnet sind. Eine erste Sendergruppe 220a umfasst einen
zentralen Sender 222a und zwei Seitensender 224a.
Eine zweite Sendergruppe 220b umfasst einen zentralen Sender 222b und
zwei Seitensender 224b. Eine dritte Sendergruppe 220c umfasst
einen zentralen Sender 222e und zwei Seitensender 224c und
eine vierte Sendergruppe 220d umfasst einen zentralen Sender 222d und
zwei Seitensender 224d. Eine der Sendergruppen 220b ist
in 7 dargestellt. Jeder
Seitensender 224b ist unter einem Winkel b von ungefähr 60° zu dem zentralen Sender 222b angeordnet.
Jeder Sender 222b, 224b weist einen Strahlwinkel
e von ungefähr
50° auf.
Diese Anordnung erzeugt ein Feld von relativ gleichmäßig gesendeten
Signalen, die einen Winkel von im wesentlichen 170° bis 180° abdecken.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein ähnliches Feld geschaffen werden
kann, indem eine größere Anzahl
von Sendern bereitgestellt wird, wobei jeder einen größeren Strahlwinkel
als die in 7 dargestellte
Anordnung aufweist.
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6 zeigt
die Anordnung der Sendergruppen 220a, 220b, 220c, 220d auf
dem Reiniger 100. Wie sich der Figur entnehmen lässt befindet
sich die erste Sendergruppe 220a an dem Ende einer radialen
Linie, die sich unter einem Winkel d von 30° zu der transversalen Achse 190 des
Reinigers 100 auf der linken Seite davon erstreckt. Die
vierte Sendergruppe 220d ist an dem Ende einer radialen
Linie angeordnet, die sich ebenfalls unter einem Winkel d von 30° zu der transversalen
Achse 190, aber auf der rechten Seite des Reinigers 100,
erstreckt. Die zweiten und dritten Sendergruppen 220b, 220e sind
an den Enden von radialen Linien angeordnet, die sich unter einem
Winkel von d von 60° zu
der transversalen Achse 190 auf der linken bzw. rechten
Seite des Reinigers 100 erstrecken. Die dritte Sendergruppe 220c ist
identisch zu der zweiten Sendergruppe 220b, wie in 7 dargestellt. Jedoch weisen
die ersten und vierten Sendergruppen 220a, 220d jeweils
einen Seitensender 224a', 224d', auf, der in spezifischer
Weise so ausgerichtet ist, dass das ausgesendete Signal parallel
zu der transversalen Achse 190 ist. Dies wird in dem spezifischen
Fall durch Ändern
des Winkels b zwischen dem relevanten zentralen Sender 222a, 222d und
dem jeweiligen Seitensender 224a', 224d' von 60° auf 30° erreicht. Es sei darauf hingewiesen,
dass dann, wenn einer der Winkel b und d von den voranstehend angegebenen Werten
abweicht, dann das Ausmaß der Änderung im
Winkel b zwischen dem relevanten zentralen Sender 222a, 222d und
dem jeweiligen Seitensender 224a, 224d so eingestellt
werden muss, dass der Seitensender 224a', 224d' nach außen in eine Richtung parallel
zu der transversalen Achse 190 gerichtet bleibt. Zwei zusätzliche
Sender 226 sind nahe zu der zentralen Achse des Reinigers 100 positioniert und
so ausgerichtet, dass sie Signale im wesentlichen in einer Vorwärtsrichtung
in Bezug auf die normale Bewegungsrichtung aussenden.
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Die erste und die vierte Sendergruppe 220a, 220d sind
in einer horizontalen Ebene angeordnet, die vertikal von der horizontalen
Ebene beabstandet ist, in der die zweite und die dritte Sendergruppe 220b, 220c angeordnet
sind. Die erste und die vierte Sendergruppe 220a, 220d sind
auf einem höheren Niveau
als die zweite und die dritte Sendergruppe 220b, 220c.
Die zusätzlichen
Sender 226 sind ebenfalls vertikal von den zwei voranstehend
erwähnten horizontalen
Ebenen beabstandet. Die Anordnung ist bezüglich der longitudinalen Achse
des Reinigers 100 symmetrisch. Das gesamte Feld von Sendern
ist so ausgelegt, das wenigstens zwei Sender Signale direkt an irgendeinen
Punkt in dem Weg des Reinigers (in der Vorwärtsrichtung) senden werden
(dies wird natürlich
nicht auf Punkte zutreffen, die extrem nahe zu dem Reiniger selbst
sind).
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Die Empfänger 230 sind im wesentlichen gleichmäßig um die
vordere Oberfläche 180 herum beabstandet.
Ein. erster Empfänger 230a ist
benachbart zu jedem der Sender 224a, 224d angeordnet, die
parallel zu der transversalen Achse 190 ausgerichtet sind,
um sowohl Signale davon zu empfangen. Diese Empfänger 230a sind spezifisch
mit den Sendern 224a, 224d gepaart. Die übrigen Empfänger 230b sind
im wesentlichen gleichmäßig um die
vordere Oberfläche 180 herum
angeordnet und sind überhaupt
nicht mit irgendwelchen Sendern gepaart. Die Empfänger 230 sind
alle in einer einzelnen horizontalen Ebene angeordnet, mit Ausnahme
der zwei zentralen Empfänger 230b,
die benachbart zu den vorwärtssehenden
Sendern 226 angeordnet sind. Der Mangel einer Paarung der
Empfänger
mit den Sendern, gibt dem Reiniger 100 eine verbesserte
Fähigkeit
seine Position innerhalb einer Umgebung und in Bezug auf Objekte
und Hindernisse zu erfassen.
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Zwei passive Infrarotdetektoren 240 sind
in der vorderen Oberfläche 180 für den Zweck
einer Erfassung von Wärmequellen,
wie Personen, Tieren und Feuern, angeordnet. Der passive Infrarotdetektor 240 ist
so ausgerichtet, dass er in einer Vorwärtsrichtung schaut, um Wärmequellen
in seinem Weg zu erfassen.
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Zwei vorwärtsschauende Ultraschallsensoren 250,
die jeweils einen Sender 250a und einen Empfänger 250b umfassen,
sind an einer obersten Extremität
des Reinigers 100 positioniert, so dass sie in der Lage
sind, Hindernisse sofort vor dem Reiniger und an oder in der Nähe einer
obersten Extremität davon
zu erfassen. In diesem Fall sind die Sensoren 250 in dem
Gehäuse
der Gebläse-
und Motoreinheit 150 positioniert, so dass sie beide entlang
der obersten Kante des Zyklonseperators 152 sehen. Die
Richtung jedes Sensors 250 ist parallel zu der Richtung des
anderen Sensors 250. Die Sensoren 250 sind in der
Lage irgendwelche Hindernisse zu erfassen, die auf einem ausreichend
hohen Niveau sind, welches von den Sensoren nicht erfasst wird,
die in der vorderen Oberfläche 180 angeordnet
sind, die aber eine Behinderung für die Vorwärtsbewegung des Reinigers 100 darstellen
würden.
Nach hinten sehende Sensoren könnten
ebenfalls auf einem hohen Niveau vorgesehen werden, wenn dies erforderlich
ist, aber in der Ausführungsform,
die in den Zeichnungen gezeigt ist, ist keiner gezeigt. Es sei darauf
hingewiesen, dass ein ähnlicher
Effekt durch Verwendung von Sensoren (vorzugsweise Ultraschallsensoren)
erreicht werden kann, die auf dem Reiniger niedriger als die oberste
Extremität
positioniert sind, aber so ausgerichtet sind, dass sie in Richtung
auf das geeignete Gebiet hin sehen, welches benachbart zu der obersten
Extremität
vor dem Reiniger 100 ist.
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Weitere Infrarotsensoren 260, 262 sind
auf dem Chassis 102 unmittelbar über dem vorstehenden Ende des
Reinigerkopfs 122 positioniert. Jeder Sensor 260, 262 umfasst
einen Sender 260a, 262a und einen Empfänger 260b, 262b.
Der erste von diesen Sensoren 260 ist so gerichtet, dass
der Sender 260a ein Signal in eine Richtung parallel zu
der longitudinalen Achse des Reinigerkopfs 122 oder des Bürstenstabs 125 aussendet.
Die Richtung des Signals von dem Sensor 260 ist deshalb
senkrecht zu der Vorwärtsbewegungsrichtung
und parallel zu der Richtung des Signals, das von dem Sender 224a' ausgesendet
wird. Der Sensor 260 ist somit in der Lage den Abstand
einer Wand oder eines anderen Hindernisses zu erfassen, entlang
der/entlang dem sich der Reiniger 100 bewegen soll. In
Kombination mit dem Sender 224a' und dem Empfänger 230a ist der
Sensor 260 auch in der Lage die Bewegungsrichtung des Reinigen 100 parallel
zu der Wand oder einem anderen Hindernis, entlang der/entlang dem sich
der Reiniger 100 bewegen soll, aufrecht zu erhalten. Dies
wird mit Hilfe der parallelen Signale erreicht, die im wesentlichen
identisch gehalten werden. Irgendeine Veränderung zwischen den zwei Signalen
können
leicht erkannt werden und der Weg bzw. der. Pfad des Reinigers 100 kann
dann eingestellt werden, um die Diskrepanz zu kompensieren. Die
Anordnung ist in 9 dargestellt.
Wie sich der Figur entnehmen lässt
ist der Abstand zwischen den Richtungen der zwei Signale ungefähr eine
halbe Länge
des Reinigers 100, obwohl dies zu einem beträchtlichen
Ausmaß verändert werden
kann. Vorzugsweise wird der Abstand nicht kleiner als eine viertel
Länge des
Fahrzeugs und nicht mehr als dreiviertel davon sein.
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Der zweite der weiteren Infrarotsensoren 262 ist
so gerichtet, dass der Sender 262a ein Signal nach hinten,
in einer Richtung parallel zu der Bewegungsrichtung des Reinigen 100,
sendet. Der Sensor 262 ist in der Lage die Anwesenheit
eines Hindernisses zu erfassen, auf das der Reinigerkopf 122 auftreffen
würde,
wenn der Reiniger 100 sich in einer Rückwärtsrichtung bewegen oder sich
um eine vertikale Achse umdrehen oder drehen würde.
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Infrarotsensoren 272, 274, 276 sind
auf der Unterseite des Reinigers 100 vorgesehen. Jeder Sensor 272, 274, 276 ist
so ausgerichtet, dass er nach unten in Richtung auf die Oberfläche sieht, über die
sich der Reiniger 100 bewegt und die der Reiniger 100 reinigen
soll. Zwei nach unten sehende (nach unten gerichtete) Sensoren 274, 276 sind
in dem Chassis 102 unmittelbar vor jedem angetriebenen
Rad 104 vorgesehen. Ein weiterer nach unten sehender Sensor 272 ist
an der vorderen Kante des Chassis 102 und auf oder nahe
zu der longitudinalen Achse des Reinigers 100 vorgesehen.
Jeder Sensor 272, 274, 276 umfasst einen
Sender und einen Empfänger.
In der dargestellten Ausführungsform
ist die äußerste Komponente
jedes Sensor 274, 276 ein Empfänger und die innerste Komponente
ist ein Sender. Jeder der Sensoren 272, 274, 276 ist
in der Lage die Anwesenheit oder Abwesenheit der Oberfläche, über die
sich der Reiniger 100 bewegt, zu erfassen. Ein Signal wird
an die Steuersoftware gesendet, um den Reiniger 100 anzuhalten
oder zu drehen, und zwar sofort, wenn einer der Sensoren 274, 276 erfasst, dass
die Oberfläche
abwesend ist. Dies ist wahrscheinlich die Folge der Anwesenheit
einer Treppe oder einer anderen Kante der Oberfläche. Es wird somit verhindert,
dass der Reiniger 100 von einer Höhe für den Fall fällt, dass
eine Treppe oder eine andere Kante wahrgenommen wird. Wegen Sicherheitsgründen ist
jeder der Sensoren, die vor jedem Rad angeordnet sind, mit der Steuersoftware über unterschiedliche
Schaltungen verbunden, so dass dann, wenn eine Schaltung ausfallen
sollte, der andere Sensor noch funktional sein wird, um das Auftreten
eines Unfalls zu vermeiden. Weitere nach unten sehende Sensoren 278, 280 sind
auf der Unterseite des Reinigen 100 benachbart zu dem Umfang
des Reinigers vorgesehen. An der Seite nach unten sehende Sensoren 278, 280 sind
angeordnet, um die Anwesenheit einer Oberfläche benachbart zu einer Seitenkante des
Fahrzeugs außerhalb
des Wegs des Fahrzeugs und vor dem Rad, in der normalen Bewegungsrichtung
des Fahrzeugs zu erfassen. Die normale, Vorwärtsbewegungsrichtung des Fahrzeugs
ist als Pfeil 290 gezeigt. Diese nach unten sehenden Sensoren 278, 280 sehen
diagonal nach unten, so dass die Sensoren auf der Unterseite des
Reinigers angebracht werden können,
wo sie vor einer Beschädigung
geschützt
sind.
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10 zeigt
die Form eines nach unten sehenden Sensors, der in der Unterseite 415 des
Fahrzeugs zum Erfassen der Anwesenheit einer Oberfläche 410 in
der Nähe
zu dem Fahrzeug angebracht ist. Ein Sendeteil des Sensors umfasst
eine Quelle 400, typischerweise eine LED, eine Linse 402 zum Formen
eines Ausgangs der Quelle 400 in einen kollimierten Strahl,
der nach unten in Richtung auf die Oberfläche 410 hin gerichtet
ist. Ein Empfangsteil umfasst eine Linse 406 zum Sammeln
von Licht, dass von der Oberfläche 410 reflektiert
wird, und einen Sensor 408, der einen Ausgang 412 zum
Speisen der Steuer-Schaltungsanordnung erzeugt. Der Sensor 408 ist
eine positionsempfindliche Einrichtung (PSD), die einen Ausgang
bereitstellt, der sich in Übereinstimmung
mit der Position des empfangenen Lichts auf dem Sensor verändert. Wenn
sich die Oberfläche 410 näher zu dem
Empfänger
hin oder davon wegbewegt, bewegt sich die Position des empfangenen
Lichts, das von der Oberfläche 410 reflektiert
wird, über
das Target des Sensors 408, wie mit dem doppelköpfigen Pfeilen
gezeigt. Die PSD ist typischerweise eine lichtempfindliche Halbleitereinrichtung.
Wegen Sicherheitsgründen
wird bevorzugt, dass ein zweites Lichtempfangsteil vorgesehen 416, 418 ist.
Dieses zweite Empfangsteil 416, 418 ist auf der
gegenüberliegenden
Seite des Sendeteils zu dem ersten Empfangsteil angeordnet und erzeugt
einen Ausgang zum Speisen der Steuer-Schaltungsanordnung. Sollte
eines oder beide Ausgangssignale 412, 420 die
Abwesenheit einer Oberfläche
unterhalb der Reinigungseinrichtung anzeigen, stoppt die Steuer-Schaltungsanordnung
die Reinigungseinrichtung.
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11 zeigt
schematisch, wie die nach unten sehenden Sensoren von dem Steuersystem
für das
Fahrzeug verwendet werden. Ausgänge
von den nach unten sehenden Sensoren 274, 276 an
dem linken und rechten Rad werden an eine Entscheidungsschaltung 300 geführt. Diese
untersucht die Ausgangssignale und entscheidet, ob die Oberfläche nahe
genug zu dem Fahrzeug ist. Dies kann durch einen Vergleich von Spannungspegeln
erreicht werden: eine erste Spannung, die von dem nach unten sehenden
Sensor bereitgestellt wird, wird mit einer Schwellenspannung verglichen,
die einen akzeptablen Oberflächenabstand
darstellt. Andere Entscheidungstechniken können verwendet werden. Ein
Ausgang von der Entscheidungsschaltung 300 wird an eine
Motoransteuererhardware 310 geführt, die Ausgangssignale 312 bereitstellt,
um die Motoren zum Antreiben der Räder 104 des Fahrzeugs
zu betreiben. Die Motoransteuererhardware reagiert sowohl auf das
Signal von der Entscheidungsschaltung 300 als auch auf
einen Ausgang von der Steuersoftware 305. Wegen Sicherheitsgründen steuern
die nach unten sehenden Radsensoren 274, 276 direkt
die Motoren in der Hardware. Sämtliche
Elemente in dem Steuerpfad, die mit der gestrichelten Box 320 gezeigt sind,
sind Hardware. Dies ist dafür
vorgesehen, irgendeine Verzögerung
beim Abbremsen der Räder für den Fall
zu verhindern, dass das Fahrzeug eine Kante einer Oberfläche erreicht.
Die nach unten sehenden Radsensoren 274, 276,
sowie die abwärtssehende
Einheit 272 an der führenden
Kante, die abwärtssehenden
Einheiten 278, 280, an der Seite und andere Sensoren
führen
ihre jeweiligen Ausgänge, über eine
geeignete Schnittstellen-Schaltungsanordnung, an die Steuersoftware 305,
die eine Bewegung des Fahrzeugs steuern. Die Steuersoftware 305 stellt Ausgänge 306 an
der Motoransteuererhardware 310 bereit. Die Steuersoftware
ist in der Lage die Sensorausgänge
zu verwenden, um das Fahrzeug in einer Weise zu führen, die
flexibler ist als sich lediglich auf die nach unten sehenden Radsensoren
zu stützen.
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12 zeigt
ein Steuersystem für
den Reiniger. Es umfasst zwei wiederaufladbare Batterien 161, 162,
ein Batterie- und Motorverwaltungssystem 41, einen Motor 50 zum
Ansteuern eines Ansauggebläses,
Traktionsmotoren 43 zum Antreiben der linken und rechten
Räder 104 des
Staubsaugers, einen Motor 28 zum Antreiben des Bürstenstabs
des Staubsaugers und eine Verarbeitungs-Schaltungsanordnung 23,
die einen Mikroprozessor und feldprogrammierbare Gatterfelder (Field
Programmable Gate Arrays, FPGAs) umfasst. Eine Benutzerschnittstellenplatine 29 stellt
eine Vielzahl von Benutzerschaltern 75, mit denen ein Benutzer
die Reinigungseinnchtung steuern kann, und eine Vielzahl von Anzeigelampen 76,
mit denen die Reinigungseinrichtung Anzeigen an dem Benutzer vornehmen
kann, bereit. Die Benutzerschnittstellenplatine ist ferner mit dem
Lichtdetektor 17. gekoppelt, da die obere Stirnfläche der Reinigungseinrichtung
den Lichtdetektor mit einer nicht verdeckten Sicht der Umgebung
versieht. Der Mikroprozessor und das FPGA teilen sich Aufgaben, wobei
das FPGA hauptsächlich
verwendet wird, um Daten von den Ultraschallsensoren zu verarbeiten, wobei
die wichtige Information von den Signalen extrahiert wird, die von
den Ultraschallempfängern empfangen
werden. Ein Kommunikationsbus 70 koppelt die Verarbeitungs-Schaltungsanordnung 23 mit dem
Batterie- und Motorverwaltungssystem 512 und der Benutzerschnittstellenplatine 29.
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Ein nicht flüchtiger Speicher 96,
beispielsweise ein ROM oder ein FLASH ROM, speichert die Steuersoftware,
und ein anderer Speicher 97 wird während eines normalen Betriebs
der Einrichtung verwendet. Die Bewegungsteuersensoren, die voranstehend
beschrieben wurden, sind mit der Verarbeitungs-Schaltungsanordnung 23 gekoppelt.
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13 zeigt
ein Beispiel eines nach unten sehenden Sensors 278 für die Seite,
um einer Kante einer Bodenoberfläche
zu folgen. Es wird bevorzugt, dass ein nach unten sehender Sensor
zur Seite sieht, und zwar von einer Anbringungsposition auf der
Reinigungseinrichtung, die innerhalb der Einhüllenden der Reinigungseinrichtung
liegt. Der seitliche nach unten sehende Sensor umfasst ein Sendeteil
TX und ein Empfangsteil RX. Sowohl das TX als auch das RX Teil sind
nach unten und nach außen
von der Unterseite des Reinigers angewinkelt, um die Anwesenheit
einer Kante einer Oberfläche 500 außerhalb
des Pfads des Rads 104 des Reinigers zu erfassen. Die Anbringung
des Sensors innerhalb der Einhüllenden des
Fahrzeugs hat den Vorteil, dass das Äußere des Fahrzeugs nicht mit
Sensoren zugepflastert wird, die von Hindernissen eingefangen oder
beschädigt
werden könnten.
Der zur Seite sehende Sensor arbeitet in der gleichen Weise wie
der Sensor, der in 10 gezeigt
ist. Als eine Alternative zu dem hier gezeigten seitlich diagonal
nach unten sehenden Sensors könnte
ein nach unten sehender Sensor vorgesehen werden, der direkt nach
unten sieht und der auf einem Arm angebracht ist, der sich von der
Seite der Reinigungseinrichtung ausreichend nach außen erstreckt,
so dass der Sensor eine klare Sichtlinie zu der Bodenoberfläche aufweist.
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Die 14 und 15 zeigen zwei Vorgehensweisen,
mit denen der Reiniger arbeiten kann, wenn der Reiniger eine Kante
einer Oberfläche
erreicht, die er gerade reinigt. In 14 weist
der Reiniger nicht einen seitlich nach unten sehenden Sensor auf.
Das Bezugszeichen 510 stellt eine nach unten gehende Treppe
dar, die sich von der Ecke 512 eines Raums erstreckt. In
der Verwendung folgt der Reiniger der Wand 505 entlang
des Pfads 506. Er erreicht die Ecke 512 und versucht
der Wand 514 zu folgen, die sich von der Ecke erstreckt.
Jedoch erfasst der Reiniger die Kante 516 oben an der Treppe
unter Verwendung seines Sensors für die führende Kante. Der Reiniger
geht dann in eine Kantenfolgeroutine über, in der er bei einem mäßigen Winkel
umdreht und sich dann unter einem kleinen Winkel zu der Kante vorwärts bewegt,
bis sein Sensor 272 für
die führende Kante
wiederum die Abwesenheit einer Oberfläche unterhalb der führenden
Kante der Reinigungseinrichtung erfasst. Er wiederholt dieses Manöver in einer
Zig-Zag-Weise, bis er die Wand 518 erreicht.
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In 15 ist
der Reiniger mit einem seitlich nach unten sehenden Sensor versehen.
Wie zuvor nähert
er sich entlang des Pfads 506 an, bis er die Ecke 512 erreicht
und versucht der Wand zu folgen. Der Sensor der führenden
Kante erfasst die Kante 516 der Treppe und durch Verwendung
des seitlich nach unten sehenden Sensors 278 folgt der
Reiniger der Kante 516, bis er die Wand 518 erreicht.
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16 ist
ein Flussdiagramm, das eine Vorgehensweise zeigt, mit der die Steuersoftware
(305, Figur 11) den Reiniger betreiben kann. Der Reiniger arbeitet
gewöhnlicher
weise in einem „Wandfolgemodus", um den Umfängen eines
Raums entweder angrenzend zu der Wand oder eine Vielzahl von Reinigerbreiten
von der Wand zu folgen, und zwar im Schritt 550. Im Schritt 552
erfasst der Reiniger die Abwesenheit einer Oberfläche unter
Verwendung seines Sensors für
die führende
Kante. Er geht dann in einen Kantenfolgemodus über, der mehrere Ausbildungen
annehmen kann. Die Schritte 554, 556, 560 stellen den Zig-Zag-Modus
dar, der voranstehend beschrieben wurde, wohingegen der Schritt 558,
560 den Modus mit dem seitlich nach unten sehenden Sensor darstellt.
Wenn die Anwesenheit einer Wand erfasst wird, dann geht der Reiniger
erneut in den Wandfolgemodus über.
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Die Erfindung ist nicht auf die genauen
Details der Ausfährungsform
beschränkt,
die dargestellt und voranstehend beschrieben wurde. Obwohl das beschriebene
Fahrzeug ein Staubsauger ist, sei darauf hingewiesen, dass die Sensoranordnung
auf irgendeinen anderen Typ von autonomen Fahrzeug angewendet werden
kann, von dem gefordert wird, dass es sich selbst über eine
Oberfläche
ohne menschliche Einwirkung und ohne mit Hindernissen oder Objekten
in seinem Pfad zu kollidieren, fortbewegt. Hausgeräte werden
zunehmend komplizierter und ausgefeilter und es wird in Erwägung gezogen, dass
andere Hausgeräte
als Staubsauger über
die Jahre autonom werden. Die voranstehend beschriebene Sensoranordnung
wird gleichermaßen
darauf anwendbar sein.