DE69922653T2

DE69922653T2 - Vorrichtung zur Überwachung eines Physikalsystems

Info

Publication number: DE69922653T2
Application number: DE69922653T
Authority: DE
Inventors: Tobias Delbrück; Rodney James Douglas; Pierre Marchal; Paul Verschure; Adrian Maurice Whatley
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: EP1091334A1; US6603082B1; ES2234195T3; DE69922653D1; ATE285100T1; EP1091334B1; JP2001180810A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines physikalischen Sy stems gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf Anwendungen eines solchen Geräts.
Unter „physikalischem System" verstehen wir jedes System, das seinen Zustand in der Zeit ändern kann und dessen Zustand durch physikalische Parameter ausgedrückt wird, wobei der Zustand des Systems durch physische Steuersignale beeinflusst werden kann. Beispiele für solche Systeme sind z. B. der Verkehr von Fahrzeugen und/oder Fussgängern, Objekte in einem Lager oder Verteilsystem, etc.
Zur Steuerung solcher System sind komplexe Geräte notwendig, wie z. B. Verkehrssignale, Lagerverwaltungssysteme, etc. Aufgrund ihrer Komplexität ist der Entwurf, die Installation und die Instandhaltung solcher Geräte kompliziert und teuer.
Das Dokument US 5 750 937 des Standes der Technik offenbart eine Vorrichtung mit mehreren Wägezellen zur Kraftdetektion umfassend mehrere Wägezellen, die über ein sequentielles Netzwerk von einer Hauptsteuerung gesteuert werden.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem liegt deshalb darin, eine Vorrichtung dieses Typs bereitzustellen, die einfacher zu entwerfen, installieren und instand zu halten ist.
Dieses Problem wird durch das Gerät gemäss Anspruch 1 gelöst.
Durch Verwendung einer Vielzahl von identi schen Zelleinheiten, die periodisch über den zu steuernden Bereich angeordnet sind, wird der Entwurf, die Installation und die Instandhaltung des Geräts vereinfacht.
Vorzugsweise bilden die Zelleinheiten ein gleichmässiges, zweidimensionales Muster. Wie Ziegel kön nen sie zusammengefügt werden, um einen im wesentlichen durchgängigen Boden von beliebiger Form zu bilden, was wiederum den Entwurf und die Installation des Geräts vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Zelleinheiten im wesentlichen sechseckig und bilden ein sechseckiges Muster. Es hat sich gezeigt, dass ein sechseckiges System bessere räumliche Auflösung liefert als z. B. ein Rechteckiges. Vorzugsweise besitzt eine Zelleinheit Kommuniktionsmittel zur Kommunikation mit jedem seiner sechs Nachbarn, was zu einem leistungsfähigen Kommunikationsmuster führt, wo jede Zelle Meldungen in sechs Richtungen schicken kann.
Nebst sechseckigen Zelleinheiten sind Einheiten von jeder anderen tesselierbaren Form vorteilhaft, oder zumindest Einheiten, die Kommunikationsmittel zur Kommunikation mit soviel Nachbarn besitzen, wie sie Seiten haben.
Die Kommunikation zwischen den Zelleinheiten kann drahtlos sein, vorzugsweise mittels optischer Verbindungen. Dies erübrigt es, physische Stecker bereitzustellen und vereinfacht deshalb die Installation und erhöht die Zuverlässigkeit.
Vorzugsweise besitzt jede Zelle Speiseverbindungen zu mindestens zwei, vorzugsweise allen, Nachbarzellen, wodurch ein redundantes Speisenetz gebildet wird, das alle Zelleinheiten speist. Die Stromversorgung zu allen Zelleinheiten kann hergestellt werden, indem die Zelleinheiten einfach aneinander gefügt und ihre Speiseverbindungen miteinander verbunden werden.
Zum Aufstarten des Systems oder individueller Zelleinheiten, ist jede Zelleinheit mit einem Aufstartmittel versehen, welches die Parameter zur Steuerung des Verhaltens der Zellen von seinen Nachbarn lädt. Diese Parameter können z. B. numerische Werte, ein Programm für einen Mikroprozessor oder ein Verbindungsmuster für ein programmierbares Gate-Array sein.
Beispiele physikalischer Systeme, die vom vorliegenden Gerät gesteuert werden können, sind:

– Sich bewegende Objekte (wie z. B. Fussgänger oder Fahrzeuge) in einem vorgegebenen Bereich, wobei die Steuersignale Zeichen, Lichter, Töne etc. sind, die von den Objekten wahrgenommen werden können. Anwendungen sind z. B. Verkehrssteuersysteme für Fahrzeuge oder Fussgänger oder eine Spielarena, wo sich die Spieler gemäss Regeln verhalten, die durch die Zeichen, Lichtern etc. bestimmt sind.
– Das Flussmuster eines Fluids, wobei die Steuersignale justierbare Leitflächen sind, die den Fluss leiten.
– Objekte, welche gefördert werden sollen, wobei die Steuersignale Aktuatoren sind (wie z. B. Fördereinheiten), welche die Objekte in unterschiedliche Richtungen bewegen. Anwendungen sind z. B. automatische Lager- oder Verteilsysteme.

Weitere bevorzugte Ausführungen und Anwendungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nun folgenden Beschreibung beschrieben, welche sich auf die Figuren bezieht. Diese zeigen:
1 einen Boden bestehend aus sechseckigen Zelleinheiten,
2 eine individuelle Zelleinheit des Bodens von 1,
3 einen Schnitt durch die Zelleinheit entlang Linie III-III von 2,
4 einen Schnitt entlang Linie IV-IV von 2,
5 ein schematisches Schaltdiagramm einer Zelleinheit,
6 ein Blockdiagramm der Steuerelektronik einer Zelleinheit und
7 eine alternative Ausführung der Erfindung.
Der mechanische Aufbau einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird in 1–4 ge zeigt. Es umfasst eine Vielzahl von sechseckigen Zelleinheiten 1, welche in einem regelmässigen, sich wiederholenden, sechseckigen Muster zusammengefügt sind um einen Boden 2 zu bilden.
Wie am besten aus 3 ersichtlich, besitzt jede Zelleinheit 1 einen Rahmen, der aus sechs Aluminiumprofilen 3 besteht, die auf einer Basis 4 ruhen. Die Profile weisen einen äusseren Vorsprung 5 auf, der am entsprechenden äusseren Vorsprung der Profile der benachbarten Zelleinheiten ansteht und Spalten 6 zwischen den Zelleinheiten definiert. Eine Abdichtung 7 wird verwendet, um die Spalten von oben zu verschleissen. Weiter weist das Profil 3 innere Vorsprünge 8 auf, um eine durchsichtige Deckplatte 9 zu tragen. Drei Gewichtssensoren 10 sind zwischen den inneren Vorsprüngen 8 und der Deckplatte 9 angeordnet zum Messen des Gewichts, welches auf der Deckplatte 9 ruht. Drei unechte Gewichtssensoren oder Abstandhalter 10' sind zum Stützen der Deckplatte 9 an den den Gewichtssensoren gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Der Boden der Zelleinheiten 1 ist von einer Bodenplatte 11 geschlossen, die auf einem Fussabschnitt 12 der Profile 3 ruht.
In jeder Zelleinheit 1 ist eine Steuerschaltung 13 angeordnet, deren Funktion unten beschrieben wird. Diese Schaltung ist mit optischen Sendern und Empfängern 14, 15 verbunden, die im Rahmen 3 angeordnet sind und ein kontaktloses, optisches Kommunikationsmittel mit benachbarten Zelleinheiten bilden. Ein Sender und ein Empfänger sind auf jeder Seite der Zelleinheit angeordnet, und bilden so ein Mittel für eine Zweiwegkommunikation mit jeder benachbarten Zelleinheit.
Weiter, wie in 4 gezeigt, sind zwei mit Federn vorgespannte Kugelkontakte 16 auf jeder Seite der Zelleinheit angeordnet. Sie stellen für ein Stromversorgungssystem einen elektrischen Zweipolkontakt mit jeder benachbarten Zelleinheit bereit.
Die Anordnung der Gewichtssensoren 10, der Sender 14 und der Empfänger 15 sowie der Kontakte 16 ist am besten aus 5 ersichtlich.
Die Gewichtssensoren 10 sind an drei Seiten der Zelleinheit montiert, um eine stabile Stützung für die Deckplatte 9 bereitzustellen.
Die Sender 14 und die Empfänger 15 sind alternierend um die Zelleinheit angeordnet, so dass jeder Sender 14 sich auf einem Empfänger 15 einer benachbarten Zelleinheit ausrichtet.
Die Zweipolkontakte 16 sind im Zentrum jeder Seite angeordnet, um die entsprechenden Kontakte der nächsten benachbarten Zelle zu kontaktieren. Sie sind mit einem gemeinsamen internen Zweipol-Stromversorgungsbus 18 verbunden. Stromversorgungsbus 18 speist die Steuerelektronik 13 und bildet einen Teil eines hexagonalen Versorgungsnetzwerk, welches mit einer Stromversorgung ausserhalb des Bodens 2 verbunden ist. Dadurch ist garantiert, dass jede Zelleinheit sicher mit der Stromversorgung verbunden ist, sobald sie mindestens eine benachbarte Zelleinheit kontaktiert.
Die symmetrische Anordnung der Zelleinheit erlaubt es, dass sie in jeder Orientierung hingelegt werden können. Dies, und die Abwesenheit von Verbindungen, die von Hand hergestellt werden müssen, erlaubt es, dass Personal mit nur minimalem Training Böden bestehend aus diesen Zelleinheiten legen kann.
6 zeigt ein Blockdiagramm der Steuerschaltung 13. Sie weist ein auf der Schaltung programmierbares Gate-Array (PGA) 20 auf, welches mit dem Eingabe-/Ausgabeteil, gebildet von den Sendern 14 und den Empfängern 15 sowie den Gewichtssensoren 10, verbunden ist. Weiter steuert PGA 20 mehrere Lichtquellen 21 unterschiedlicher Farbe an, die in der Zelleinheit eingebettet sind und deren durchsichtige Deckplatte 9 von unten beleuchten, so dass ihr Licht von oben gesehen werden kann. PGA 20 ist ausserdem mit einem Tongenerator und Lautspre cher 22 verbunden. Lautsprecher 22 ist unter der Deckplatte 9 angeordnet und ist fähig Töne auszusenden, die von oben gehört werden können.
Weiter besitzt die Steuerschaltung 13 einen Mikroprozessor 23, dessen Konfiguration vom PGA 20 geladen wird.
Die Funktion jeder Zelleinheit ist wie folgt:
Beim Aufstarten übernimmt Mikroprozessor 23 die Kontrolle und versucht, mit irgend einer benachbarten Zelleinheit über die Sender 14 und die Empfänger 15 zu kommunizieren. Sobald eine Verbindung hergestellt ist, ersucht er die benachbarten Zelleinheiten um Übertragung von Konfigurationsdaten, die das Verbindungsmuster des Gate-Arrays und die Betriebssoftware von ihm selbst umfassen. Wenn die benachbarte Zelleinheit schon konfiguriert ist, übermittelt sie diese Daten. Die Daten werden in das PGA und den Programm-Speicher des Mikroprozessors 23 geladen. Zusätzlich übermittelt die benachbarte Zelleinheit Koordinateninformation, welche deren Position und Orientierung innerhalb des Bodens 2 beschreibt, was es der aufstartenden Zelleinheit erlaubt, ihre eigene Position und Orientierung sowie Information dazu, in welche Richtung Daten vom Boden weggeschickt werden sollten, abzuleiten.
Dieses Aufstartschema erlaubt es, den Boden 2 aufzustarten und alle darin enthaltenen Zelleinheiten 1 zu konfigurieren. Normalerweise wird eine seiner Eck-Zelleinheiten mit den Konfigurationsdaten vorprogrammiert oder empfängt sie von einem externen Computer, während sie aufstartet. Dann werden diese Daten automatisch über den ganzen Boden verbreitet.
Ist der Boden einmal aufgestartet und konfiguriert, ist er bereit, um gemäss den Instruktionen zu arbeiten, die durch das Verbindungsmuster des Gate-Arrays und durch das Programm des Mikroprozessors gegeben sind. Falls notwendig, kann er später neu konfiguriert werden, indem ein Neukonfigurationsbefehl und neue Konfigurati onsdaten an eine Zelle ausgegeben werden, die dann durch den ganzen Boden verbreitet werden.
Zwischen benachbarten Zellen können Daten ausgetauscht werden. Für weit reichende Kommunikation werden Meldungen von einer Zelle an die nächste weitergegeben, bis sie ein Ziel erreichen.
Falls sich, während einer Meldungsübertragung, eine benachbarte Zelleinheit als nicht funktionierend herausstellt (oder falls sie entfernt wurde oder fehlt), kann die Meldung immer noch durch Zelleinheiten auf jeder Seite der nicht funktionierenden Zellen geschickt werden. Als Konsequenz dieser Eigenschaft und des oben beschriebenen Aufstart-Schemas kann jede ausfallende Zelleinheit entfernt und ersetzt werden, ohne dass die Funktionalität des Bodens unterbrochen wird.
Das Verhalten des Bodens wird durch die Konfigurationsdaten bestimmt und hängt davon ab, wie der Boden benutzt werden soll. Beispiele:
In einem Ausführungsbeispiel kann der Boden als Leitsystem für Fussgänger verwendet werden. Beispielsweise kann er dazu verwendet werden, einen Fluss von Fussgängern gleichmässig durch mehrere äquivalente Durchgänge zu führen. Zu diesem Zweck wird der Boden vor den Durchgängen mit Zelleinheiten wie oben beschrieben ausgelegt. Die Zelleinheiten am Eingang jedes Durchgangs senden Zählsignale aus, welche die Zahl der passierenden Fussgänger angeben. Diese Signale werden linear von einer Zelleinheit zur nächsten weitergegeben.
Wenn eine Zelleinheit des Bodens die Anwesenheit eines Fussgängers mittels seiner Gewichtssensoren 10 detektiert, versucht sie, dem Fussgänger einen Hinweis zu geben, wohin er gehen soll. Zu diesem Zweck prüft sie die ankommenden Zählsignale und bestimmt die Richtung des geringsten Zählsignals. Dann erzeugt sie einen Blinkbefehl und gibt diesen zur benachbarten Zelle aus, die in dieser Richtung liegt. Die empfangende Zelle lässt für eine bestimmte Zeit ein grünes Licht aufblinken und gibt dann ihrerseits einen Blinkbefehl an seine benachbarte Zelle aus, die in der gewünschten Richtung liegt, welche ebenfalls ihr Licht aufblinken lässt und den Befehl weitergibt. Für den Fussgänger erzeugt diese eine Reihe von Lichtpunkten, die von seiner Position aus in die gewünschte Richtung gehen, wodurch sie ihm/ihr sagen, wohin er gehen soll.
Ein in dieser Weise ausgestalteter Boden kann nicht nur den Verkehrsfluss beschleunigen, sondern er kann auch dazu verwendet werden, statistische Daten zu erfassen, z. B. zum Zählen der Zahl von Fussgängern. Um solche Daten von den individuellen Zelleinheiten des Bodens zu sammeln, können die Daten an die benachbarten Zelleinheiten weitergegeben werden, bis sie in einer Reihe von Kommunikationen zwischen Zelleinheiten den Rand des Bodens erreichen, wo die Randeinheiten die Daten an eine konventionelle Computeranlage weitergeben. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Kommunikation mit externen Computern auch mittels spezialisierter Zellen durchgeführt werden, die nicht am Rand angeordnet sind.
Der soweit beschriebene Boden kann auch für weitere Anwendungen verwendet werden, wie z. B. für:

– Fördern des Flusses von Menschenmassen, z. B. in einem Flughafen, durch Markieren von Bahnen, auf denen die Leute gehen sollten, und Ruhebereichen, wo die Leute stillstehen können, wobei die Bahnen und die Ruhebereiche den aktuellen Anforderungen angepasst werden,
– Spiele, wie z. B. Bodenfussbal mit einem virtuellen Ball, oder „Pacman", wo ein Mensch der „Pacman" Stein ist und der Boden Fressfiguren und Bahnmarkierungen erzeugt, und/oder
– die Darstellung von Kunstwerken.

Durch geeignete Anpassung der Grösse und Form der Zelleinheiten und deren Gewichtssensoren können sie auch verwendet werden, um den Verkehr von Fahrzeugen zu führen.
In den obigen Beispielen sind die Zelleinheiten physisch identisch. Es ist jedoch möglich, dass sie sich in ihrer Konfiguration unterscheiden. Insbesondere können unterschiedliche Zelleinheiten so programmiert werden, dass sie unterschiedliche Parameter besitzen. Um eine derartige Programmierung zu ermöglichen, unterstützen die Zelleinheiten ein Kommunikationsprotokoll, das einem externen Computer erlaubt, Meldungen adressiert an individuelle Zellen zu schicken. Solche Meldungen werden von den Zelleinheiten weitergegeben, bis sie ihr Ziel erreichen.
In der Ausführung von 6 werden Lampen 21 als Ausgabemittel für die Zelleinheiten verwendet. Bei der Interaktion mit menschlichen Benutzern können z. B. rote Lampen verwendet werden, um verbotene Bereiche zu markieren, grüne Lampen für bevorzugte Bereiche und gelbe Lampen für Gehrichtungen. Zusätzlich hierzu kann der Lautsprecher 22 eine Warnung oder ermutigende Geräusche oder gesprochene Meldungen ausgeben.
Bei der Interaktion mit nicht-menschlichen Benutzern, wie z. B. Roboterfahrzeugen, können die Lampen z. B. ersetzt werden mit Radiosendern kurzer Reichweite, Induktionsspulen oder Inforarot-Kommunikationsmittel.
Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Ausgabemittel auch Aktuatoren aufweisen, die mechanische Steuersignale erzeugen, wie z. B. in 7 gezeigt. Hier ist eine angetriebene, zylindrische Rolle 30 in der Mitte jeder Zelleinheit 1 angeordnet. Sie ist auf einem schwenkbaren Halter 31 montiert, der um eine vertikale Achse 32 verschwenkt werden kann. Passive Kugellager 33 sind an den Ecken der Zelleinheit 1 angeordnet.
Ein Boden aus Zelleinheiten 1 gemäss 7 ist in der Lage, auf ihm liegende Lasten in beliebigen Richtungen zu fördern, indem die Orientierung der schwenkbaren Halter 31 angepasst wird. Er kann z. B. verwendet werden, um Gepäck zu fördern, z. B. in einem Ge päckrückgabebereich, oder Paletten in einem automatisierten Lagerhaus.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines physikalischen Systems in einem ausgedehnten Bereich basierend auf der Detektion von Parametern des Systems und der Erzeugung von Steuersignalen zur Beeinflussung des Systems, umfassend eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Zelleinheiten (1), die periodisch über den Bereich angeordnet sind, wobei jede Zelle (1) mindestens einen Detektor (10) zum Detektieren mindestens eines der Parameter und ein Ausgabemittel (21, 22, 32) zum Erzeugen mindestens eines der Kontrollsignale aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle Kommunikationsmittel (15, 16) zum Informationsaustausch mit benachbarten Zelleinheiten (1) im Bereich und Steuermittel (13) zum Steuern der Ausgabemittel (21, 22, 32) in Funktion des mindestens einen vom Detektor (10) detektieren Parameters und von durch die Kommunikationsmittel (15, 16) erhaltener Information aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zelleinheiten (1) in einem regelmässigen, zweidimensionalen Muster über den Bereich angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zelleinheiten (1) zusammengefügt sind um einen im wesentlichen kontinuierlichen Boden (2) im Bereich zu bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zelleinheiten zusammengefügt sind um ein hexagonales Muster zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Zelleinheiten (1) im wesentlichen sechseckig sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei jede Zelleinheit (1) Kommunikationsmittel (15, 16) zur Kommunikation mit jedem ihrer sechs Nachbarn aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationsmittel (15, 16) drahtlose, vorzugsweise optische, Kommunikationsmittel sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Zelleinheit (1) Speiseverbindungen (16) aufweist, die mit mindestens zwei, vorzugsweise allen, benachbarten Zelleinheiten (1) verbunden sind, wodurch ein redundantes Speisenetz durch die Zelleinheiten (1) gebildet wird, welches die Zelleinheiten (1) speist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Zelleinheit (1) mit Aufstart-Mitteln (23) zum Abfragen von Steuerparametern von benachbarten Zelleinheiten (1) beim Auf starten der Zelleinheit ausgestattet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgabemittel mindestens eine Lichtquelle (21), vorzugsweise mehrere Lichtquellen für unterschiedliche Farben, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgabemittel mindestens einen Tongeber aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgabemittel mindestens einen Aktuator (32) zum Bewegen von Objekten aufweist, die sich auf Zelleinheit befinden, und vorzugsweise wobei der Aktuator ein Fördermechanismus ist mit einstellbarer Förderrichtung.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zelleinheiten (1) tesselierbar sind und/oder Kommunikationsmittel zur Kommunikation mit jedem ihrer Nachbarn aufweisen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Steuern eines Verkehrsflusses, vorzugsweise eines Verkehrsflusses von Fussgängern.
Ein Boden zum Steuern eines Flusses von Fussgängern, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von identischen Zellen (1), die periodisch über den Boden ange ordnet sind, wobei jede Zelle mindestens einen Detektor (10) zum Detektieren der Anwesenheit eines Fussgängers auf ihr, mindestens eine Lichtquelle (21, 22) um den Fussgängern zu sagen, wohin sie gehen sollen, und Kommunikationsmittel (15, 16) aufweist, und wobei der Boden Steuermittel aufweist zum Steuern der Lichtquellen (21, 22) als Funktion von Signalen von den Detektoren.