WO2004059409A1 - Mobiles bodenbearbeitungsgerät - Google Patents

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WO2004059409A1
WO2004059409A1 PCT/EP2003/013365 EP0313365W WO2004059409A1 WO 2004059409 A1 WO2004059409 A1 WO 2004059409A1 EP 0313365 W EP0313365 W EP 0313365W WO 2004059409 A1 WO2004059409 A1 WO 2004059409A1
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WO
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tillage
soil cultivation
radiation
floor surface
cultivation device
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/013365
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Dünne
Harald Mayer
Hendrik Rust
Gottfried Benzler
Original Assignee
Alfred Kärcher Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • A47L—DOMESTIC WASHING OR CLEANING; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L9/00—Details or accessories of suction cleaners, e.g. mechanical means for controlling the suction or for effecting pulsating action; Storing devices specially adapted to suction cleaners or parts thereof; Carrying-vehicles specially adapted for suction cleaners
    • A47L9/28—Installation of the electric equipment, e.g. adaptation or attachment to the suction cleaner; Controlling suction cleaners by electric means
    • A47L9/2836—Installation of the electric equipment, e.g. adaptation or attachment to the suction cleaner; Controlling suction cleaners by electric means characterised by the parts which are controlled
    • A47L9/2852—Elements for displacement of the vacuum cleaner or the accessories therefor, e.g. wheels, casters or nozzles
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    • A47L9/2826—Parameters or conditions being sensed the condition of the floor
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    • A47L2201/00—Robotic cleaning machines, i.e. with automatic control of the travelling movement or the cleaning operation
    • A47L2201/04—Automatic control of the travelling movement; Automatic obstacle detection

Definitions

  • the invention relates to a mobile tillage device for working a floor area, which is designed to be self-propelled and self-steering and comprises a drive unit, a tillage unit and a control unit, the control unit for controlling the direction of travel of the tillage device being connected to the drive unit and the control unit being assigned at least one position sensor to determine the position of the tillage implement.
  • a floor surface can be worked, in particular cleaned, without the use of an operator.
  • the soil tillage implement is moved along the soil surface to be worked.
  • the control unit can be given a course of travel direction along which the tillage implement moves.
  • the soil tillage implement has a position sensor to determine its current position. From US-A-5 613 261, a tillage implement is known with rotation sensors which are coupled to two drive wheels of the drive unit of the tillage implement. The rotation of the drive wheels can be detected and the current position of the soil tillage implement can be determined therefrom.
  • the determination of the position of the tillage implement by detecting the rotation of the drive wheels can, however, lead to inaccuracies, since the drive wheels can slip, so that rotation of the wheels occurs, but not a change in position of the tillage implement corresponding to the rotation.
  • the object of the present invention is to develop a mobile tillage device of the type mentioned at the outset in such a way that it enables improved position determination.
  • a mobile soil cultivation device of the generic type in that the position sensor is designed as an optical sensor interacting with the base surface with a spatially resolving radiation-sensitive element, to which an imaging optics for imaging a section of the base surface onto the radiation-sensitive element and with evaluation electronics are assigned , wherein the direction of travel and the distance traveled by the soil cultivation device can be determined by means of the evaluation electronics from chronologically successive images of the floor area.
  • a section of the floor surface can be mapped onto the radiation-sensitive element, and a change in the image due to a relative movement between the soil treatment device and the floor surface is recognized by the evaluation electronics, the direction of travel, which has been evaluated by evaluating the images of the floor surface acquired at short time intervals the distance traveled (route) at the start of the tillage device and preferably also the speed of the tillage device can be determined.
  • the evaluation electronics can access and evaluate image data provided by the radiation-sensitive element.
  • the optical sensor interacts with the floor surface, so that a change in the position of the tillage device with respect to the floor surface is detected. It can therefore change the position of the Soil cultivation device can be determined precisely.
  • optical correlation sensor Compared to the frequently used sensors, which detect a rotation of the drive wheels, the optical sensor has the particular advantage that it can absorb not only a longitudinal slip of the wheels, but also a transverse slip, ie a lateral offset. This is particularly important when processing deep-pile carpets.
  • the optical sensor comprises a radiation-sensitive element, preferably an element that detects infrared radiation or visible light.
  • a radiation source for example an infrared radiation source or a luminous element which emits visible light radiation, can be assigned to the optical sensor. It is advantageous here if the radiation source homogeneously illuminates the area of the floor surface detected by the optical sensor.
  • the position sensor is preferably held on a chassis of the tillage implement. It can be arranged at a distance from the floor surface or can also be guided along the floor surface, for example by sliding along the floor surface by means of rollers. In a preferred embodiment, the position sensor interacts with the bottom surface in a contactless manner and is held at a distance from this.
  • a section of the floor surface is provided by the imaging optics onto the radiation-sensitive element with a practically constant imaging scale even when the distance between the soil tillage implement and the floor surface changes within a predetermined working range mapped.
  • Such an embodiment of the imaging optics has the advantage that a change in the distance between the soil cultivation device and the floor area to be worked, insofar as the distance is within the working area, does not result in a significant change in the imaging scale of the imaging optics.
  • the image scale is understood here to mean the enlargement or reduction factor of the imaging optics.
  • a constant imaging scale regardless of the distance between the tillage implement and the floor surface, ensures that the position sensor only detects movement changes that occur perpendicular to the optical axis of the imaging optics, ie movement changes parallel to the floor surface. This avoids position errors.
  • a mapping that is invariant within the working area, it can in particular be ensured that distance variations that occur due to the nature of the floor surface do not result in position errors. Such spacing variations can occur, for example, in the area of joints in the case of tiled floor surfaces.
  • the work area i. H. the area within which a distance-invariant image can be achieved by means of the imaging optics is at least 10 mm. It is particularly favorable that the working area extends over at least about 20 mm.
  • a cutout of the bottom surface by means of the imaging optics from a minimum distance of approximately 5 mm to approximately 10 mm between the tillage implement and the floor surface up to a maximum distance of approximately 25 mm to approximately 30 mm on the photosensitive element with practical constant imaging scale can be mapped.
  • the working area extends over approximately 15 to approximately 25 mm, the distance from the floor surface being detectable from a minimum distance of approximately 5 mm up to a maximum distance of approximately 30 mm. Within this working area there is practically no position error due to changes in the imaging scale.
  • the imaging scale preferably has a value of approximately 3 to approximately 10, a value of approximately 5 having proven to be particularly favorable.
  • a magnification 5 means that a square section of the bottom surface with a side length of 5 mm is mapped onto the radiation-sensitive element in such a way that a reduced square image of the bottom surface with a side length of 1 mm is obtained on the radiation-sensitive element.
  • the optical sensor is movably held on the tillage implement and can be positioned at a constant distance from the floor surface.
  • a contact-based or contactless distance sensor can be assigned to the optical sensor, and if the distances between the tillage implement and the floor surface change, the optical sensor can be tracked to compensate for the changes in distance.
  • the optical sensor can be designed to be slidable directly along the bottom surface, for example by means of sliding rollers, the optical sensor being elastically prestressed in the direction of the bottom surface by means of a spring element. If the distance between the tillage implement and the floor surface changes, it can this change in distance can be compensated for by the spring-elastic mounting of the optical sensor.
  • the imaging optics are designed in the manner of an autofocus unit, for example are held movably with respect to the radiation-sensitive element, so that the imaging optics, for example an imaging lens, can be mechanically adjusted in accordance with the distance that occurs.
  • the imaging optics have a lens, in whose focal plane facing away from the bottom surface a diaphragm is arranged.
  • a diaphragm is arranged.
  • the working area can be chosen larger the smaller the diameter of the screen.
  • the aperture diameter thus determines the depth of field of the imaging optics.
  • the radiation sensitivity of the imaging optics is also influenced by the diaphragm diameter; the smaller the diaphragm diameter, the lower the radiation sensitivity.
  • the imaging optics have two lenses, in whose common focal plane an aperture is arranged.
  • Such a design of the imaging optics not only has the advantage of an inside of the working area, distance-invariant imaging, but it enables the radiation impinging on the radiation-sensitive element, in particular light radiation, to be oriented essentially perpendicular to the radiation-sensitive surface of the radiation-sensitive element. This can improve the sensitivity of the position sensor, in particular its spatial resolution.
  • At least one lens of the imaging optics has an aspherical surface.
  • the radiation-sensitive element is a radiation-sensitive surface element, particularly preferably a microelectronic semiconductor element, for example a CMOS detector, a PSD element (ie a “position sensitive detector”), a diode line or a so-called CCD element, which is also known under the name “Charge Coupled Device.”
  • CMOS detector complementary metal-oxide-semiconductor
  • PSD element position sensitive detector
  • CCD element Charge Coupled Device
  • the evaluation electronics and the radiation-sensitive element are designed as a combined, in particular one-piece, microelectronic component.
  • the evaluation electronics can be configured as a user-specific microelectronic circuit in which a PSD or CCD element is integrated. This enables cost-effective production of the light-sensitive element with evaluation electronics.
  • At least one further position determination sensor can be used, for example sensors with the aid of which - as mentioned at the beginning - the rotation of the drive wheels can be detected.
  • the remaining position determination sensors can then be calibrated using the optical sensor.
  • the floor area can be recognized. This background detection then enables calibration.
  • a correction value for example the slip of the drive wheels
  • the relevant correction value can then be called up for the remaining position determination sensors and used for calibration
  • a background-dependent correction value can be calculated on the basis of a predefined calculation rule and is used for the calibration of the further sensors. For example, depending on the ground, the respective slip of the drive wheels can be taken into account when determining the position from the detected rotation of the drive wheels.
  • a particularly precise position determination can be achieved by using at least one further sensor in addition to the optical sensor, the sensor signals being combined with one another, for example by means of a Cayman filter, in order to be able to do this by means of such a sensor fusion itself to achieve a very precise measurement result without performing a calibration.
  • an exceeding of a predetermined distance between the soil cultivation device and the floor surface can be detected by means of the optical sensor.
  • the optical sensor also forms a distance sensor, with the aid of which a steep drop in the floor area or a step can be reliably detected.
  • the tillage implement can change the direction of travel to avoid a crash, for example a reversal of the direction of travel with subsequent rotation of the tillage implement by a predetermined angle, for example 90 °.
  • the evaluation electronics can preferably be used to detect that the predetermined distance has been exceeded due to the sharpness of the image.
  • the evaluation electronics perform a focus analysis of the image imaged by the imaging optics on the radiation-sensitive element. If a predetermined unsharpness occurs, this is interpreted by the evaluation electronics as exceeding the predetermined maximum permissible distance, so that this is subsequently the Control unit provides a corresponding crash warning signal for initiating a change in the direction of travel of the tillage implement.
  • the nature of the floor surface for example its processing state, in particular its degree of soiling, can be detected by means of the optical sensor.
  • the evaluation electronics determine, on the basis of the image data provided by the radiation-sensitive sensor, the number of image points (pixels) recognizable in each case on the image of a section of the floor area or also the maximum pixel value (color value) or the average pixel value of all image points.
  • a signal that is proportional to the time period within which a section of the floor area is detected by the sensor namely the so-called “shutter time”
  • the control of the direction of travel and / or the driving speed of the tillage implement and / or the operation of the tillage unit can then take place on the basis of the determined soil condition, which in particular enables the detection of differently shaped floor surface segments - for example segments with parquet or with carpets - which then segment by segment
  • the evaluation of the image data also enables the optical sensor to be self-calibrated, depending on the B
  • Correction values for calibration of the sensor can be stored in a memory element or correction values can be calculated on the basis of a stored calculation rule. This allows one of position errors dependent on the nature of the floor are counteracted, for example position errors which could occur alternately on hard surfaces, for example parquet, and carpets when using the soil cultivation device.
  • the intensity of the radiation incident on the radiation-sensitive element can be evaluated by means of the evaluation electronics.
  • Such an embodiment has the advantage that not only can a predetermined maximum distance be exceeded due to the associated weakening of the intensity of the radiation occurring on the radiation-sensitive element, but the evaluation of the intensity of the radiation incident on the radiation-sensitive element also enables the radiation to be assessed Condition of the floor area.
  • the processing state for example the degree of soiling, of the floor surface can thereby be recorded. This enables an assessment to be made as to whether the floor surface has already been processed or whether this is not the case, since the processing of the floor surface usually results in a change in the optical properties, in particular the reflection property of the floor surface.
  • the processing can take place, for example, in the form of a cleaning of the floor surface, in which case both the need for cleaning and the cleaning quality achieved can be assessed by evaluating the intensity of the radiation incident on the radiation-sensitive element.
  • the movement of the tillage implement and / or the mode of operation of the tillage unit is dependent on the image data obtained by means of the radiation-sensitive sensor, in particular the intensity of the radiation impinging on the radiation-sensitive element can be controlled.
  • Such an embodiment has the advantage that the soil surface to be worked can be worked within a shorter time than is the case with conventional tillage devices.
  • the soil cultivation device is designed as a floor cleaning device, for example as a sweeping and / or suction device or also as a wiping device for wet, semi-wet, fog-damp or dry wiping of the floor surface.
  • the cleaned floor surface has a higher reflection than an unpurified floor surface, so that the intensity of the radiation impinging on the radiation-sensitive element is higher in the area of a cleaned floor surface than in unpurified areas.
  • the movement of the tillage device can then be controlled depending on the intensity of the radiation impinging on the radiation-sensitive element, as can the operation of the tillage unit, preferably a floor cleaning unit, depending on the intensity of the incident radiation.
  • the nature of the soil can be deduced from the image data provided. This also allows the bottom surface to be segmented in such a way that segments with an essentially uniform nature are successively processed, in particular cleaned.
  • control unit can be given a position-dependent reference value of the soil condition, for example on the basis of the intensity of the radiation impinging on the radiation-sensitive element, and if the control unit comprises a comparison element for comparing the reference value with the current condition, for example the instantaneous value of the intensity of the radiation-sensitive element impinging radiation, wherein the movement of the tillage implement and / or mode of operation of the tillage unit can be controlled as a function of the deviation of the current condition, for example the current intensity value, from the reference value.
  • a learning trip can be carried out with the soil surface worked before the actual use or during the first use of the soil cultivation device.
  • the condition of the floor is stored, for example on the basis of the intensity of the radiation impinging on the light-sensitive element, in a storage element of the control unit, depending on the position.
  • These values with processed floor area form reference values that can be used for a comparison with the respective current value in a position-dependent manner when the floor area is processed later, for example later cleaning. If it is determined that the current value is less than the reference value determined during the learning run of the control unit, a cultivation mode of the soil cultivation unit can be activated and the soil surface can be processed.
  • the cultivation mode of the soil cultivation unit can be changed can be switched off, preferably the tillage unit can switch to a stand-by operating mode, and this floor surface segment can be driven over at a higher driving speed, and / or a change in the direction of travel can be carried out in order to reach a floor surface segment that requires processing within the shortest possible time ,
  • the tillage device has at least two optical sensors, the movement of the tillage device and / or the mode of operation of the tillage unit depending on the soil conditions detected by the respective sensors , for example the intensities of the radiation impinging on the radiation-sensitive elements of the two sensors, can be controlled.
  • the soil tillage implement according to the invention preferably has at least two optical sensors.
  • the base surface can be detected by means of a first optical sensor before it is processed and the base surface can be detected after it has been processed by means of a second optical sensor.
  • a difference measurement of the soil condition for example, in such a way that the intensity of the radiation impinging on the respective radiation-sensitive element is detected before the processing and after the processing of the floor surface.
  • a difference can be formed from the intensity values obtained in this way, and the intensity values can also be used be compared to an absolute value. This makes it possible to assess whether processing is necessary at all and whether the processing was successful or whether further processing is required.
  • the use of two optical sensors for the soil tillage implement also has the advantage that the direction of travel of the soil tillage implement can be controlled in such a way that it automatically moves a boundary line between one already, due to the particular condition of the soil, in particular by assessing the radiation impinging on the respective radiation-sensitive element processed floor surface segment and a not yet processed floor surface segment follows by holding one of the two optical sensors in the area of the already processed floor area and the other optical sensor in the area of the unprocessed floor area.
  • the position of the soil cultivation device can be determined very precisely by means of the optical sensors on the one hand, and a soil surface to be worked can be covered over a wide area within a short time, avoiding repeated driving over of already processed soil surface segments.
  • the soil cultivation device comprises a mechanical cleaning element which can be designed, for example, in the manner of a windshield wiper.
  • a cleaning unit with a suction unit is used as the tillage unit, it is particularly advantageous if the imaging optics is in flow connection with the suction unit, so that the Imaging optics can be acted upon by an air flow to avoid and / or to remove contamination.
  • the optical sensor and the associated expansion unit not only detect a shift of the tillage implement with respect to two mutually perpendicular coordinate axes (x and y axis), but also a rotation about an axis of rotation oriented perpendicular to the two coordinate axes ( z-axis).
  • the drive unit of the soil tillage implement preferably comprises two drive wheels which have a common axis of rotation, an optical sensor being arranged on each side of the common axis of rotation.
  • Such an arrangement of two optical sensors makes it possible, in a structurally particularly simple manner, to reliably detect a rotation of the tillage implement about an axis of rotation oriented perpendicular to the floor surface, because in this case different changes in the direction of travel are detected by the two optical sensors.
  • At least one additional optical sensor is oriented obliquely or parallel to the floor surface. This enables position tracking or distance-dependent movement of the tillage implement along a wall.
  • the tillage unit for cleaning a floor surface can comprise a cleaning unit.
  • the latter preferably has a sweeping brush, in particular a plate or roller brush.
  • a suction unit for the cleaning unit can be come set and / or a wiping unit for wet or semi-wet, damp or dry wiping.
  • Figure 1 is a schematic side view of a soil tillage implement according to the invention
  • Figure 2 is a schematic bottom view of the soil tillage implement
  • Figure 3 is a sectional view taken along line 3-3 in Figure 2.
  • FIGS. 1 and 2 schematically show a soil cultivation device according to the invention in the form of a floor cleaning device, which is generally designated by reference number 10.
  • the floor cleaning device 10 comprises a base plate 12, on which a cover 13 is placed and which is fixed to a chassis 14.
  • a chassis 14 On the chassis 14, two drive wheels 16, 17 are rotatably mounted, each of which a drive motor 18 and 19 is assigned.
  • the drive motors 18, 19 are held on the undercarriage 14 and are connected electrically via connecting lines (not shown in the drawing) to a control unit 20 arranged on the upper side of the base plate 12 and also arranged on the upper side of the base plate 12, not shown and known per se Connection.
  • a control unit 20 arranged on the upper side of the base plate 12 and also arranged on the upper side of the base plate 12, not shown and known per se Connection.
  • the drive wheels 16 and 17 In combination with the drive wheels 16 and 17, they form a drive unit of the floor cleaning device 10.
  • a dirt inlet opening 22 is formed in the base plate 12 and is penetrated by a brush roller 26 which is oriented transversely to the main direction of movement 24 of the tillage implement 10 and which is rotatably held on the dirt inlet opening 22.
  • the brush roller 26 has a multiplicity of radially oriented brushes 27 which are fixed to a shaft 28 and with their free ends projecting downward beyond the dirt inlet opening 22.
  • the base plate 12 On its upper side, the base plate 12 carries a suction unit which is known per se and is therefore not shown in the drawing in order to achieve a better overview, and also a dirt collecting container (also not shown) which is in flow connection with the dirt inlet opening via a suction channel (not shown).
  • a suction flow can be generated in the direction of the dirt collecting container starting from the dirt inlet opening 22, so that dirt can be brushed off from a floor surface to be processed, namely cleaned, 30 and transferred into the dirt collecting container.
  • the brush roller 26 consequently forms, in combination with the dirt collecting container and the suction unit, a cleaning unit of the tillage implement 10.
  • the floor cleaning device 10 can be moved along the floor surface 30, and the position of the floor cleaning device 10 can be determined with the aid of position sensors 31 to 36, which are constructed identically and are explained in more detail below using the example of the position sensor 36 with reference to FIG. 3. They each have a cylindrical sensor housing 39 with a front blind hole 40 and a stepped fig expanding rear blind bore 42, between which an intermediate wall 44 is arranged with a through opening 45.
  • the rear blind bore 42 comprises a rear bore section 47 which merges via a step 48 into a front bore section 49 which is delimited at the end by the intermediate wall 44.
  • Each position sensor 31 to 36 is assigned a lighting element which is known per se and is therefore not shown in the drawing and which homogeneously illuminates the floor area area detected by the respective position sensor 31 to 36.
  • the sensor housing 39 On the face side, the sensor housing 39 carries a front imaging lens 51 with an aspherical surface at the entry of the front blind bore 40, and a rear, also aspherical shaped imaging lens 52 is arranged in the region of the front bore section 49 of the rear blind bore 42.
  • the intermediate wall 44 with through opening 55 forms an aperture 53, which is positioned at the level of the common focal plane of the two imaging lenses 51 and 52.
  • the rear focal plane of the rear imaging lens 52 is located at the level 48, and a light-sensitive element in the form of a CCD element 55 is positioned at this rear focal plane.
  • This is a so-called "Charge Coupled Device", ie a charge-coupled component in the form of a microelectronic semiconductor element, which enables spatially resolved detection of light beams. It consequently forms an image sensor and is known to the person skilled in the art from video cameras, scanners and digital cameras.
  • the CCD element enables a location-dependent conversion of light radiation into electrical charge.
  • the CCD element 55 comprises a two-dimensional array of conversion elements in the form of doped silicon crystals, which provide electrical charge when light radiation strikes them. The electrical charge is then amplified and made available to electrical evaluation electronics 57 connected to the CCD element 55 in the form of image data.
  • the two imaging lenses 51 and 52 form an imaging optic, with the aid of which a section of the bottom surface 30 can be imaged on the surface element 55.
  • the image obtained in this way can then be evaluated by the evaluation electronics 57.
  • the electrical signals of the CCD element 55 are evaluated at short time intervals by determining a correlation function of two successive images. This makes it possible to determine both the direction of travel and the distance traveled as well as the speed of the floor cleaning device 10 on the basis of the change in the successive images.
  • the identically designed position sensors 31 to 36 are each connected to the control unit 20 via a signal line 59, which determines the path of movement of the tillage implement 10 on the basis of the speed and direction of travel signals provided and stores the area of the ground surface 30 that has already been traveled over in a memory element 61 of the control unit 20.
  • the control of the direction of travel of the tillage implement 10 is carried out by the control unit 20, to which a movement algorithm is predefined, areas of the floor surface 30 which have already been passed over being avoided, if possible, a second time.
  • the two imaging lenses 51 and 52 in combination with the diaphragm 53, form a telecentric system such that a change in the distance between the position sensor 36 and the bottom surface 30 only results in an insignificant change in the imaging scale, provided that the distance is within a range of the imaging property both lenses 51 and 52 and the size of the through opening 45 of the aperture 53 predetermined working area.
  • This work area is illustrated schematically in FIG. 3 and is given the reference number 54.
  • the length L of the working area 54 is approximately 20 mm, and the distance A of the working area 54 to the front imaging lens 51 is approximately 7 mm. If the distance between the floor surface 30 and the front imaging lens 54 changes between a value of approximately 7 mm and a value of approximately 27 mm while the floor cleaning device 10 is traveling along the floor surface 30, this practically does not lead to a change in the imaging scale.
  • the imaging scale which preferably has the value 5
  • the position sensors 31 to 36 within the working area 54 only detect a change in position perpendicular to the optical axis of the imaging optics, while a change in the distance to the floor surface 30, ie a change in position parallel to the optical axis of the imaging optics is not detected and consequently does not lead to a position error.
  • the direction of travel, the distance traveled and the speed of the floor cleaning device 10 can be determined in each case by means of the evaluation electronics 57 of each of the position sensors 31 to 36.
  • the nature and the distance of the bottom surface 30 can also be recognized in each case by the intensity of those striking the CCD elements 55
  • Light radiation is evaluated, and a corresponding intensity value is stored in the memory element 61 as a function of the position during a learning trip of the tillage implement 10.
  • the control unit 20 then relates the current intensity values of the individual position sensors 31 to 36 to one another in different ways during a cleaning run. This is explained in more detail below.
  • the position sensors 31 and 32 are arranged in alignment with the running surface of the drive wheel 16, and the position sensors 33 and 34 have a corresponding, aligned arrangement with the running surface of the drive wheel 17.
  • the intensity values of the light radiation impinging on the CCD elements 55 of these position sensors 31, 32, 33 and 34 are compared with a predetermined minimum value which corresponds to a maximum permissible distance between the position sensors 31 to 34 and the floor surface 30. If the current intensity value falls below the predetermined minimum value, this is interpreted by the control unit 20 as a maximum permissible distance between the floor cleaning device 10 and the floor surface 30 being exceeded, and the drive motors 18 and 19 are then driven to change the direction of travel, since there is a risk of a fall.
  • the position sensors 31 to 34 thus not only enable the position of the tillage implement 10 to be tracked, but also form fall sensors which are arranged in the main direction of movement 24 in front of and behind the drive wheels 16 and 17.
  • the control unit 20 also evaluates the intensity signals provided by the position sensors 31 to 34 in such a way that it is checked whether there is a difference between the intensity of the surface area elements 55 of the position sensors 31 and 32 incident light radiation compared with the intensity of the light radiation incident on the surface elements 55 of the position sensors 33 and 34. If such a difference in the intensity values is determined, this is interpreted by the control unit 20 as the existence of a “cleaning limit” by reaching an area of an already cleaned floor area segment, so that, for example, an already cleaned floor area area from the position sensors 31 and 32 and from the position sensors 33 and 34 a floor area that has not yet been cleaned is detected.
  • This assessment is based on the experience that the cleaning of a floor surface area influences its reflection property, so that cleaned floor surface areas have a different reflection than unpurified floor surface areas.
  • the different reflection properties in turn lead to different intensities of the light radiation incident on the CCD elements 55 of the position sensors 31, 32 or 33, 34.
  • the drive motors 18 and 19 of the floor cleaning device 10 can be controlled by the control unit 20 in the presence of a cleaning limit in such a way that the floor treatment device 10 follows the cleaning limit. This enables the floor surface 30 to be cleaned to be swept across the entire area within a short time, areas of the floor surface 30 that have already been cleaned not being run over a second time if possible.
  • the position sensors 35 and 36 are arranged one behind the other in the main movement direction 24 of the floor cleaning device 10, the position sensor 35 being held in front of the dirt inlet opening 22 and the brush roller 26 and the position sensor 36 being held behind the dirt inlet opening 22 and the brush roller 26 in relation to the main movement direction 24 is.
  • position sensor 35 in most cases, an area of the bottom surface 30 that has not yet been processed, ie has not yet been cleaned, is detected, while the position sensor 36 scans an area that has already been cleaned.
  • the intensity signals of the position sensors 35 and 36 are compared with one another by the control unit 20 in order in this way to obtain a criterion regarding the quality of the floor cleaning.
  • the intensity signal of the position sensor 36 is additionally compared by the control unit 20 with the reference value stored during the learning trip of the floor cleaning device 10, which corresponds to a state of the floor surface 30 with optimal cleaning. If the intensity signal provided by the position sensor 36 differs markedly from the predetermined reference value, this indicates an unsatisfactory cleaning result. The result of this is that the control unit 20 changes the direction of travel of the floor cleaning device 10 in such a way that the already processed area of the floor surface 30 is run over a second time if the cleaning result is inadequate in order to improve the cleaning result.
  • the intensity signal provided by the position sensor 35 is also compared with the predetermined reference value.
  • the control unit 20 checks whether the intensity signal of the position sensor 35, which corresponds to the uncleaned floor surface 30, deviates only insignificantly from the predetermined reference value. If this is the case, the mode of operation of the brush roller 26 and of the suction unit is changed in such a way that they go into an energy-saving mode (stand-by mode), while at the same time the driving speed of the floor cleaning device 10 is increased.
  • the position of the floor cleaning device 10 can be determined in each case.
  • they have the function of a fall sensor in that they can be used to detect whether a predetermined distance between the floor cleaning device 10 and the floor surface 30 has been exceeded.
  • the nature of the floor surface 30 can be detected by means of the position sensors 31 to 36, and due to the nature a segmentation of the floor surface 30 can be achieved and individual segments of the floor surface 30 can be cleaned one after the other, wherein already cleaned floor surface segments do not run over a second time if possible become.
  • the cleaning parameters can also be optimally adapted to the floor surface, in particular the operating modes of the brush roller 26 and the suction unit can be optimized and the driving speed can be adapted to the nature of the floor surface 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mobiles, selbstfahrendes und selbstlenkendes bodenbearbeitungsgerät (10) mit einer Antriebseinheit,einer Bodenbearbeitundseinheit und einer Steuereinheit,die mit der Antriebseinheit vebunden ist und der mindestens ein Positionssensor zugeordnet ist zur Bestimmung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes. Um das Bodenbearbeitungsgerät derart weiterzubilden, dass es eine verbesserte Positionsbestimmung ermöglicht,wird erfindungsgemäss vorgeschlagen,dass der Positionssensor als mit der Bodenfläche (30) zusammenwirkender optischer Sensor ausgestaltet ist mit einem ortsauflösenden strahlungsempfinglichen Element, dem eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Ausschnitts der Bodenfläche auf das srtahlungsemplindliche Element sowie eine Auswerteelektronik zugeordnet sind, wobei mittels der Auswerteelektronik aus zeitlich auffeinander folgenden Abbildungen der Bodenfläche die Fahrtrichtung und der zurückgelegte Fahrweg des Bodenbearbeitungsgerätes bestimmbar sind.

Description

Mobiles Bodenbearbeitungsgerät
Die Erfindung betrifft ein mobiles Bodenbearbeitungsgerät zur Bearbeitung einer Bodenfläche, das selbstfahrend und selbstlenkend ausgestaltet ist und eine Antriebseinheit, eine Bodenbearbeitungseinheit sowie eine Steuereinheit umfaßt, wobei die Steuereinheit zum Steuern der Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsgerätes mit der Antriebseinheit verbunden ist und der Steuereinheit mindestens ein Positionssensor zugeordnet ist zur Bestimmung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes.
Mit Hilfe derartiger Bodenbearbeitungsgeräte kann ohne Einsatz einer Bedienungsperson eine Bodenfläche bearbeitet, insbesondere gereinigt werden. Das Bodenbearbeitungsgerät wird hierbei entlang der zu bearbeitenden Bodenfläche verfahren. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, daß der Steuereinheit ein Fahrtrichtungsverlauf vorgebbar ist, entlang dessen sich das Bodenbearbeitungsgerät bewegt. Zur Bestimmung seiner aktuellen Position weist das Bodenbearbeitungsgerät einen Positionssensor auf. Hierbei ist aus der US- A-5 613 261 ein Bodenbearbeitungsgerät bekannt mit Rotationssensoren, die mit zwei Antriebsrädern der Antriebseinheit des Bodenbearbeitungsgerätes gekoppelt sind. Die Rotation der Antriebsräder kann erfaßt und daraus die aktuelle Position des Bodenbearbeitungsgerätes bestimmt werden.
Die Ermittelung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes durch Erfassung der Rotation der Antriebsräder kann allerdings zu Ungenauigkeiten führen, da die Antriebsräder einen Schlupf aufweisen können, so daß zwar eine Rotation der Räder auftrifft, nicht jedoch eine der Rotation entsprechende Positionsänderung des Bodenbearbeitungsgerätes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mobiles Bodenbearbeitungsgerät der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß es eine verbesserte Positionsbestimmung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem mobilen Bodenbearbeitungsgerät der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Positionssensor als mit der Bodenfläche zusammenwirkender optischer Sensor ausgestaltet ist mit einem ortsauflösenden strahlungsempfindlichen Element, dem eine Abbildungsoptik zur Abbildung eines Ausschnitts der Bodenfläche auf das strahlungsempfindliche Element sowie eine Auswerteelektronik zugeordnet sind, wobei mittels der Auswerteelektronik aus zeitlich aufeinander folgenden Abbildungen der Bodenfläche die Fahrtrichtung und der zurückgelegte Fahrweg des Bodenbearbeitungsgerätes bestimmbar sind.
Mittels der Abbildungsoptik läßt sich ein Ausschnitt der Bodenfläche auf das strahlungsempfindliche Element abbilden, und eine Änderung der Abbildung aufgrund einer Relativbewegung zwischen Bodenbearbeitungsgerät und Bodenfläche wird von der Auswerteelektronik erkannt, wobei durch Auswertung der in kurzen zeitlichen Abständen erfaßten Bilder der Bodenfläche die Fahrtrichtung, der seit dem Start des Bodenbearbeitungsgerätes zurückgelegte Fahrweg (Wegstrecke) und vorzugsweise auch die Geschwindigkeit des Bodenbearbeitungsgerätes ermittelt werden können. Die Auswerteelektronik kann hierbei auf vom strahlungsempfindlichen Element bereitgestellte Bilddaten zugreifen und diese auswerten. Der optische Sensor wirkt mit der Bodenfläche zusammen, so daß eine Änderung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes bezüglich der Bodenfläche erfaßt wird. Es kann daher die Position des Bodenbearbeitungsgerätes genau bestimmt werden. Dem Fachmann sind derartige Sensoren auch unter der Bezeichnung "optischer Korrelationssensor" bekannt. Gegenüber den häufig verwendeten Sensoren, die eine Rotation der Antriebsräder erfassen, hat der optische Sensor den besonderen Vorteil, daß er nicht nur einen Längsschlupf der Räder, sondern auch einen Querschlupf, d.h. einen seitlichen Versatz, aufnehmen kann. Dies ist insbesondere bei der Bearbeitung von hochflorigen Teppichen von Bedeutung.
Der optische Sensor umfaßt ein strahlungsempfindliches Element, vorzugsweise ein Element, das Infrarotstrahlung oder sichtbares Licht detektiert. Hierbei kann dem optischen Sensor eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Infrarotstrahlungsquelle oder ein Leuchtelement, welches sichtbare Lichtstrahlung emittiert, zugeordnet sein. Günstig ist es hierbei, wenn die Strahlungsquelle den vom optischen Sensor erfaßten Bereich der Bodenfläche homogen ausleuchtet.
Der Positionssensor ist vorzugsweise an einem Fahrwerk des Bodenbearbeitungsgerätes gehalten. Er kann im Abstand zur Bodenfläche angeordnet sein oder auch an der Bodenfläche entlang führbar sein, beispielsweise mittels Rollen an der Bodenfläche entlang gleiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wirkt der Positionssensor berührungslos mit der Bodenfläche zusammen und ist im Abstand zu dieser gehalten.
Vorzugsweise ist ein Ausschnitt der Bodenfläche auch bei einer Änderung des Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät und der Bodenfläche innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches mittels der Abbildungsoptik auf das strahlungsempfindliche Element mit praktisch konstantem Abbildungsmaßstab abbildbar. Eine derartige Ausgestaltung der Abbildungsoptik hat den Vorteil, daß eine Änderung des Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät und der zu bearbeitenden Bodenfläche, soweit der Abstand innerhalb des Arbeitsbereiches liegt, keine wesentliche Änderung des Abbildungsmaßstabes der Abbildungsoptik zur Folge hat. Unter Abbildungsmaßstab wird hierbei der Vergrö- ßerungs- oder Verkleinerungsfaktor der Abbildungsoptik verstanden. Ein gleichbleibender Abbildungsmaßstab unabhängig vom Abstand zwischen Bodenbearbeitungsgerät und Bodenfläche stellt sicher, daß mittels des Positionssensors lediglich Bewegungsänderungen detektiert werden, die senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik auftreten, d. h. Bewegungsänderungen parallel zur Bodenfläche. Positionsfehler werden dadurch vermieden. Durch eine innerhalb des Arbeitsbereiches abstandsinvariante Abbildung kann insbesondere sichergestellt werden, daß Abstandsvariationen, die aufgrund der Beschaffenheit der Bodenfläche auftreten, keine Positionsfehler zur Folge haben. Derartige Abstandsvariationen können beispielsweise bei gefliester Bodenfläche im Bereich von Fugen auftreten.
Vorzugsweise erstreckt sich der Arbeitsbereich, d. h. der Bereich, innerhalb dessen eine abstandsinvariante Abbildung mittels der Abbildungsoptik erzielbar ist, über mindestens 10 mm. Besonders günstig ist es, daß sich der Arbeitsbereich über mindestens etwa 20 mm erstreckt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein Ausschnitt der Bodenfläche mittels der Abbildungsoptik ab einem Mindestabstand von ca. 5 mm bis etwa 10 mm zwischen Bodenbearbeitungsgerät und Bodenfläche bis zu einem Maximalabstand von etwa 25 mm bis ca. 30 mm auf das lichtempfindliche Element mit praktisch konstantem Abbildungsmaßstab abbildbar ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung erstreckt sich der Arbeitsbereich über ca. 15 bis etwa 25 mm, wobei der Abstand zur Bodenfläche ab einem Mindestabstand von etwa 5 mm detektierbar ist bis zu einem maximalem Abstand von ca. 30 mm. Innerhalb dieses Arbeitsbereiches tritt praktisch kein Positionsfehler aufgrund von Änderungen des Abbildungsmaßstabes auf.
Der Abbildungsmaßstab weist vorzugsweise einen Wert von etwa 3 bis ca. 10 auf, wobei sich ein Wert von ca. 5 als besonders günstig erwiesen hat. Ein Abbildungsmaßstab 5 bedeutet, daß ein quadratischer Ausschnitt der Bodenfläche mit einer Seitenlänge von 5 mm derart auf das strahlungsempfindliche Element abgebildet wird, daß man auf dem strahlungsempfindlichen Element ein verkleinertes quadratisches Bild der Bodenfläche mit einer Seitenlänge von 1 mm erhält.
Zur Erzielung einer innerhalb eines Arbeitsbereiches abstandsinvarianten Abbildung kann vorgesehen sein, daß der optische Sensor beweglich am Bodenbearbeitungsgerät gehalten ist und in gleichbleibendem Abstand zur Bodenfläche positionierbar ist. Hierzu kann dem optischen Sensor ein berührungsbehafteter oder berührungsloser Abstandssensor zugeordnet sein und bei sich ändernden Abständen zwischen Bodenbearbeitungsgerät und Bodenfläche kann der optische Sensor zum Ausgleich der Abstandsänderungen nachführbar sein. In einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform kann der optische Sensor unmittelbar an der Bodenfläche entlang gleitbar ausgestaltet sein, beispielsweise mittels Gleitrollen, wobei der optische Sensor mittels eines Federelementes in Richtung der Bodenfläche elastisch vorgespannt ist. Ändert sich der Abstand zwischen Bodenbearbeitungsgerät und Bodenfläche, so kann diese Abstandsänderung durch die federelastische Lagerung des optischen Sensors ausgeglichen werden.
Zur Erzielung einer abstandsinvarianten Abbildung kann auch vorgesehen sein, daß die Abbildungsoptik nach Art einer Autofokuseinheit ausgestaltet ist, beispielsweise bezogen auf das strahlungsempfindliche Element beweglich gehalten ist, so daß die Abbildungsoptik, beispielsweise eine Abbildungslinse, mechanisch entsprechend dem auftretenden Abstand nachführbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Abbildungsoptik eine Linse aufweist, in deren der Bodenfläche abgewandter Brennebene eine Blende angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Abbildungsoptik bildet ein einfaches telezentrisches System, mit dessen Hilfe sichergestellt werden kann, daß eine Abstandsänderung zwischen der Bodenfläche und der Linse innerhalb eines vorgebbaren Bereiches praktisch keine Änderung des Abbildungsmaßstabes zur Folge hat. Der Arbeitsbereich kann hierbei umso größer gewählt werden, je kleiner der Durchmesser der Blende ist. Der Blendendurchmesser bestimmt also die Tiefenschärfe der Abbildungsoptik. Allerdings wird auch die Strahlungsempfindlichkeit der Abbildungsoptik durch den Blendendurchmesser beeinflußt, die Strahlungsempfindlichkeit ist umso geringer, je geringer der Blendendurchmesser ist. Ein Blendendurchmesser von maximal etwa 1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 mm hat sich als günstig erwiesen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Abbildungsoptik zwei Linsen aufweist, in deren gemeinsamer Brennebene eine Blende angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Abbildunsgoptik hat nicht nur den Vorteil einer innerhalb des Arbeitsbereiches abstandsinvarianten Abbildung, sondern sie ermöglicht es, die auf das strahlungsempfindliche Element auftreffende Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung, im wesentlichen senkrecht zur strahlungsempfindlichen Oberfläche des strahlungsempfindlichen Elementes auszurichten. Dadurch kann die Empfindlichkeit des Positionssensors, insbesondere dessen Ortsauflösung, verbessert werden.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn zumindest eine Linse der Abbildungsoptik eine asphärische Oberfläche aufweist.
Als strahlungsempfindliches Element kommt bei einer vorteilhaften Ausführungsform ein strahlungsempfindliches Flächenelement zum Einsatz, besonders bevorzugt ein mikroelektronisches Halbleiterelement, beispielsweise ein CMOS-Detektor, ein PSD-Element (d.h. ein sogenannter „Position Sensitive Detector"), eine Diodenzeile oder ein sogenanntes CCD-Element, das auch unter der Bezeichnung "Charge Coupled Device" bekannt ist. Insbesondere derartige PSD- und CCD-Elemente ermöglichen eine sehr empfindliche lageabhängige Detektion der auftretenden Strahlung, um dadurch die Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung und auch die zurückgelegte Fahrstrecke des Bodenbearbeitungsgerätes zu bestimmen.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die Auswerteelektronik und das strahlungsempfindliche Element als kombiniertes, insbesondere einteiliges mikroelektronisches Bauelement ausgestaltet sind. Die Auswerteelektronik kann als anwenderspezifischer mirkoelektronischer Schaltkreis ausgestaltet sein, in den ein PSD- oder CCD-Element integriert ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des lichtempfindlichen Elementes mit Auswerteelektronik.
Zusätzlich zu dem mindestens einen optischen Sensor kann beim erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerät bei einer vorteilhaften Ausführungsform noch zumindest ein weiterer Positionsbestimmungssensor zum Einsatz kommen, beispielsweise Sensoren, mit deren Hilfe - wie eingangs erwähnt - die Rotation der Antriebsräder erfaßbar ist. Mittels des optischen Sensors kann dann eine Kalibrierung der restlichen Positionsbestimmungssensoren durchgeführt werden. Unter Zuhilfenahme des optischen Sensors kann die Bodenfläche erkannt werden. Diese Untergrunderkennung ermöglicht dann eine Kalibrierung. So kann beispielsweise untergrundabhängig ein Korrekturwert, beispielsweise der Schlupf der Antriebsräder, in einem Speicherglied der Steuereinheit hinterlegt werden, und je nach momentanem Untergrund, der vom optischen Sensor erfaßt wird, kann dann der jeweils maßgebliche Korrekturwert für die restlichen Positionsbestimmungssensoren abgerufen und zur Kalibrierung herangezogen werden. Es kann auch vorgesehen sein, daß aufgrund des vom optischen Sensor erkannten momentanen Untergrundes anhand einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift ein untergrundabhängiger Korrekturwert berechenbar ist, der zur Kalibrierung der weiteren Sensoren herangezogen wird. Zum Beispiel kann untergrundabhängig der jeweilige Schlupf der Antriebsräder berücksichtigt werden bei der Bestimmung der Position aus der erfaßten Rotation der Antriebsräder.
Eine besonders genaue Positionsbestimmung kann dadurch erzielt werden, daß zusätzlich zum optischen Sensor mindestens ein weiterer Sensor zum Einsatz kommt, wobei die Sensorsignale miteinander kombiniert werden, beispielsweise mittels eines Kaimanfilters, um durch eine derartige Sensorfusion, selbst ohne Durchführung einer Kalibrierung, ein sehr genaues Meßergebnis zu erzielen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mobilen Bodenbearbeitungsgerätes ist mittels des optischen Sensors ein Überschreiten eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät und der Bodenfläche erkennbar. Dadurch kann mittels des optischen Sensors nicht nur die Position des Bodenbearbeitungsgerätes bestimmt werden, sondern es kann auch eine abfallende Stufe der Bodenfläche erkannt werden, d. h. der optische Sensor bildet zusätzlich zu seiner positionsbestimmenden Eigenschaft auch einen Abstandssensor, mit dessen Hilfe ein steiler Abfall der Bodenfläche oder auch eine Treppenstufe zuverlässig erkannt werden kann. Wird ein Überschreiten des vorgegebenen Abstandes mittels des optischen Sensors erkannt, so kann das Bodenbearbeitungsgerät zur Vermeidung eines Absturzes eine Fahrtrichtungsänderung durchführen, zum Beispiel eine Fahrtrichtungsumkehr mit anschließender Drehung des Bodenbearbeitungsgerätes um einen vorgegebenen Winkel, beispielsweise 90°.
Günstig ist es, wenn mittels der Auswerteelektronik die Schärfe der Abbildung des Ausschnitts der Bodenfläche auswertbar ist. Vorzugsweise ist mittels der Auswerteelektronik aufgrund der Schärfe der Abbildung ein Überschreiten des vorgegebenen Abstandes erkennbar. Die Auswerteelektronik nimmt hierbei eine Schärfenanalyse des von der Abbildungsoptik auf das strahlungsempfindliche Element abgebildeten Bildes vor. Stellt sich eine vorgegebene Unscharfe ein, so wird dies von der Auswerteelektronik als Überschreiten des vorgegebenen maximal zulässigen Abstandes interpretiert, so daß diese anschließend der Steuereinheit ein entsprechendes Absturz-Warnsignal zur Verfügung stellt zur Veranlassung einer Fahrtrichtungsänderung des Bodenbearbeitungsgerätes.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mittels des optischen Sensors die Beschaffenheit der Bodenfläche, beispielsweise deren Bearbeitungszustand, insbesondere deren Verschmutzungsgrad, erfaßbar. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Auswerteelektronik anhand der vom strahlungsempfindlichen Sensor bereitgestellten Bilddaten die Anzahl der jeweils auf der Abbildung eines Ausschnitts der Bodenfläche erkennbaren Bildpunkte (Pixel) bestimmt oder auch den maximalen Pixelwert (Farbwert) oder den durchschnittlichen Pixelwert aller Bildpunkte. Auch ein Signal, das der Zeitspanne proportional ist, innerhalb derer jeweils ein Ausschnitt der Bodenfläche vom Sensor erfaßt wird, nämlich die sogenannte „shutter time", kann zur Erzielung von Informationen über die Bodenflächenbeschaffenheit herangezogen werden, und/oder es kann der jeweils bereitgestellte Signalpegel ausgewertet werden. Die Steuerung der Fahrtrichtung und/oder der Fahrgeschwindigkeit des Bodenbearbeitungsgerätes und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit kann dann anhand der ermittelten Bodenbeschaffenheit erfolgen. Dies ermöglicht insbesondere das Erkennen unterschiedlich beschaffener Bodenflächensegmente - beispielsweise Segmente mit Parkett oder mit Teppichen -, die dann segmentweise bearbeitet werden können, d. h. einzelne Bodenflächensegmente sind nacheinander bearbeitbar. Die Auswertung der Bilddaten ermöglicht auch eine Selbstkalibrierung des optischen Sensors. Hierzu können in Abhängigkeit von der aufgrund der Bilddaten gewonnenen Bodenbeschaffenheit Korrekturwerte zur Kalibrierung des Sensors in einem Speicherglied hinterlegt werden oder aufgrund einer hinterlegten Rechenvorschrift können Korrekturwerte berechnet werden. Dadurch kann einem von der Bodenbeschaffenheit abhängigen Positionsfehler entgegengewirkt werden, beispielsweise Positionsfehler, die sich bei Einsatz des Bodenbearbeitungsgerätes abwechselnd auf Hartflächen, z.B. Parkett, und Teppichböden einstellen könnten.
Günstig ist es, wenn mittels der Auswerteelektronik die Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung auswertbar ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nicht nur das Überschreiten eines vorgegebenen maximal zulässigen Abstandes aufgrund der damit einhergehenden Intensitätsabschwächung der auf das strahlungsempfindliche Element auftretenden Strahlung erkannt werden kann, sondern die Auswertung der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung ermöglicht auch eine Beurteilung der Beschaffenheit der Bodenfläche. Insbesondere kann dadurch der Bearbeitungszustand, beispielsweise der Verschmutzungsgrad, der Bodenfläche erfaßt werden. Dies ermöglicht eine Beurteilung, ob die Bodenfläche bereits bearbeitet wurde oder ob dies nicht der Fall ist, denn die Bearbeitung der Bodenfläche hat üblicherweise eine Änderung der optischen Eigenschaften, insbesondere der Reflexionseigenschaft der Bodenfläche zur Folge. Die Bearbeitung kann beispielsweise in Form einer Reinigung der Bodenfläche erfolgen, wobei dann durch Auswertung der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung sowohl das Erfordernis einer Reinigung als auch die erzielte Reinigungsqualität beurteilt werden können.
Von Vorteil ist es, wenn die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes und/ oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit in Abhängigkeit von den mittels des strahlungsempfindlichen Sensors gewonnenen Bilddaten, insbeson- dere der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung, steuerbar sind. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die zu bearbeitende Bodenfläche innerhalb kürzerer Zeit bearbeitet werden kann als dies bei herkömmlichen Bodenbearbeitungsgeräten der Fall ist. Durch der Beurteilung der Bilddaten, beispielsweise der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung, kann eine Flächensegmentierung der zu bearbeitenden Bodenfläche vorgenommen werden dergestalt, so daß das Überfahren eines bereits bearbeitenden Bodenflächensegmentes nach Möglichkeit vermieden wird, zumindest aber mit höherer Fahrgeschwindigkeit vorgenommen wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Bodenbearbeitungsgerät als Bodenreinigungsgerät ausgestaltet ist, beispielsweise als Kehr- und/oder Sauggerät oder auch als Wischgerät zum nassen, halbnassen, nebelfeuchten oder trockenen Wischen der Bodenfläche. Üblicherweise weist die gereinigte Bodenfläche eine höhere Reflexion auf als eine ungereinigte Bodenfläche, so daß im Bereich einer gereinigten Bodenfläche die Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung höher ist als in ungereinigten Bereichen. Die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes kann dann in Abhängigkeit von der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung gesteuert werden ebenso wie auch die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit, vorzugsweise einer Bodenreinigungseinheit, in Abhängigkeit von der Intensität der auftreffenden Strahlung gesteuert werden kann. Wie bereits erläutert, kann aus den bereitgestellten Bilddaten auf die Bodenbeschaffenheit geschlossen werden. Dies ermöglicht auch eine Segmentierung der Bodenfläche dergestalt, daß nacheinander Segmente mit im wesentlichen einheitlicher Beschaffenheit bearbeitet, insbesondere gereinigt werden.
Günstig ist es, wenn der Steuereinheit ein positionsabhängiger Referenzwert der Bodenbeschaffenheit beispielsweise anhand der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung vorgebbar ist und wenn die Steuereinheit ein Vergleichsglied umfaßt zum Vergleich des Referenzwertes mit der momentanen Beschaffenheit, beispielsweise dem momentanen Wert der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung, wobei die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes und/ oder Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit in Abhängigkeit von der Abweichung der momentanen Beschaffenheit, also zum Beispiel des momentanen Intensitätswertes, vom Referenzwert steuerbar ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann vor dem eigentlichen Arbeitseinsatz oder während des ersten Arbeitseinsatzes des Bodenbearbeitungsgerätes eine Lernfahrt bei bearbeiteter Bodenfläche durchgeführt werden. Während der Lernfahrt wird die Bodenbeschaffenheit beispielsweise anhand der Intensität der auf das lichtempfindliche Element auftreffenden Strahlung positionsabhängig in einem Speicherglied der Steuereinheit abgespeichert. Diese Werte bei bearbeiteter Bodenfläche bilden Referenzwerte, die bei einer späteren Bearbeitung der Bodenfläche, beispielsweise einer späteren Reinigung, zum Vergleich mit dem jeweiligen aktuellen Wert positionsabhängig herangezogen werden können. Wird festgestellt, daß der momentane Wert geringer ist als der während der Lernfahrt der Steuereinheit ermittelte Referenzwert, so kann ein Bearbeitungsmodus der Bodenbearbeitungseinheit aktiviert und eine Bearbeitung der Bodenfläche vorgenommen werden. Wird jedoch festgestellt, daß in einem bestimmten Bodenflächensegment keine Bearbeitung erforderlich ist, da nur eine verhältnismäßig geringe Abweichung des momentanen Wertes vom vorgegebenen Referenzwert vorliegt, so kann der Bearbeitungsmodus der Bodenbearbeitungseinheit ausgeschaltet werden, vorzugsweise kann die Bodenbearbeitungseinheit in einen Stand-by-Betriebsmodus übergehen, und dieses Bodenflächensegment kann mit höherer Fahrgeschwindigkeit überfahren werden, und/oder es kann eine Fahrtrichtungsänderung vorgenommen werden, um innerhalb möglichst kurzer Zeit ein Bodenflächensegment zu erreichen, das einer Bearbeitung bedarf.
Alternativ und/oder ergänzend zur Vorgabe eines Referenzwertes ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerätes vorgesehen, daß das Bodenbearbeitungsgerät zumindest zwei optische Sensoren aufweist, wobei die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit in Abhängigkeit von den von den jeweiligen Sensoren erfaßten Bodenbeschaffenheiten, beispielsweise den Intensitäten der auf die strahlungsempfindlichen Elemente der beiden Sensoren auftreffenden Strahlung, steuerbar sind.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Bodenbearbeitungsgerät mindestens zwei optische Sensoren auf.
Günstig ist es, wenn mittels eines ersten optischen Sensors die Bodenfläche vor deren Bearbeitung und mittels eines zweiten optischen Sensors die Bodenfläche nach ihrer Bearbeitung erfaßbar ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine Differenzmessung der Bodenbeschaffenheit beispielsweise dergestalt, daß die Intensität der auf das jeweilige strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung vor der Bearbeitung und nach der Bearbeitung der Bodenfläche erfaßt wird. Aus den so gewonnenen Intensitätswerten kann eine Differenz gebildet werden, und zusätzlich können die Intensitätswerte mit einem Absolutwert verglichen werden. Dadurch kann beurteilt werden, ob überhaupt eine Bearbeitung erforderlich ist und ob gegebenenfalls die Bearbeitung erfolgreich war oder eine weitere Bearbeitung erforderlich ist.
Der Einsatz von zwei optischen Sensoren für das Bodenbearbeitungsgerät hat außerdem den Vorteil, daß aufgrund der jeweils erfaßten Bodenbeschaffenheit, insbesondere durch Beurteilung der auf das jeweilige strahlungsempfindliche Element auftreffenden Strahlung, die Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsgerätes derart gesteuert werden kann, daß es selbsttätig einer Grenzlinie zwischen einem bereits bearbeiteten Bodenflächensegment und einem noch nicht bearbeiteten Bodenflächensegment folgt, indem einer der beiden optischen Sensoren im Bereich der bereits bearbeiteten Bodenfläche und der andere optische Sensor im Bereich der unbearbeiteten Bodenfläche gehalten wird. Somit kann auf konstruktiv einfache Weise mittels der optischen Sensoren zum einen die Position des Bodenbearbeitungsgerätes sehr genau ermittelt werden und zum anderen kann eine zu bearbeitende Bodenfläche innerhalb kurzer Zeit flächendeckend überfahren werden, wobei ein mehrmaliges Überfahren bereits bearbeiteter Bodenflächensegmente vermieden wird.
Um einer Verschmutzung der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Abbildungsoptik entgegenzuwirken, umfaßt das Bodenbearbeitungsgerät bei einer bevorzugten Ausführungsform ein mechanisches Reinigungselement, das beispielsweise nach Art eines Scheibenwischers ausgestaltet sein kann.
Kommt als Bodenbearbeitungseinheit eine Reinigungseinheit mit einem Saugaggregat zum Einsatz, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abbild- lungsoptik mit dem Saugaggregat in Strömungsverbindung steht, so daß die Abbildungsoptik zur Vermeidung und/oder zur Beseitigung einer Verschmutzung mit einer Luftströmung beaufschlagbar ist.
Günstig ist es, wenn mittels des optischen Sensors und der zugeordneten Ausweiteeinheit nicht nur eine Verschiebung des Bodenbearbeitungsgerätes bezüglich zweier senkrecht aufeinander stehender Koordinatenachsen (x- und y-Achse) erkennbar ist, sondern auch eine Rotation um eine senkrecht zu den beiden Koordinatenachsen ausgerichtete Drehachse (z-Achse).
Die Antriebseinheit des Bodenbearbeitungsgerätes umfaßt vorzugsweise zwei Antriebsräder, die eine gemeinsame Drehachse aufweisen, wobei zu beiden Seiten der gemeinsamen Drehachse jeweils ein optischer Sensor angeordnet ist. Eine derartige Anordnung zweier optischer Sensoren ermöglicht es auf konstruktiv besonders einfache Weise, eine Drehung des Bodenbearbeitungsgerätes um eine senkrecht zur Bodenfläche ausgerichtete Drehachse zuverlässig zu erkennen, denn hierbei werden von den beiden optischen Sensoren unterschiedliche Fahrtrichtungsrichtungsänderungen erfaßt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn mindestens ein zusätzlicher optischer Sensor schräg oder parallel zur Bodenfläche ausgerichtet ist. Dies ermöglicht eine Positionsverfolgung oder abstandsabhängige Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes entlang einer Wand.
Wie bereits erläutert, kann die Bodenbearbeitungseinheit zur Reinigung einer Bodenfläche eine Reinigungseinheit umfassen. Letztere weist vorzugsweise eine Kehrbürste auf, insbesondere eine Teller- oder Walzenbürste. Alternativ und/oder ergänzend kann für die Reinigungseinheit ein Saugaggregat zum Ein- satz kommen und/oder eine Wischeinheit zum nassen oder halbnassen, nebelfeuchten oder trockenen Wischen.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bodenbearbeitungsgerätes;
Figur 2: eine schematische Unteransicht des Bodenbearbeitungsgerätes und
Figur 3: eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Figur 2.
In den Figuren 1 und 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Bodenbearbeitungsgerät in Form eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegten Bodenreinigungsgerätes dargestellt. Das Bodenreinigungsgerät 10 umfaßt eine Bodenplatte 12, auf die ein Deckel 13 aufgesetzt ist und die an einem Fahrwerk 14 festgelegt ist. Am Fahrwerk 14 sind zwei Antriebsräder 16, 17 drehbar gelagert, denen jeweils ein Antriebsmotor 18 bzw. 19 zugeordnet ist. Die Antriebsmotoren 18, 19 sind am Fahrwerk 14 gehalten und stehen über in der Zeichnung nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit einer auf der Oberseite der Bodenplatte 12 angeordneten Steuereinheit 20 sowie mit ebenfalls auf der Oberseite der Bodenplatte 12 angeordneten, nicht dargestellten und an sich bekannten Batterien in elektrischer Verbindung. Sie bilden in Kombination mit den Antriebsrädern 16 und 17 eine Antriebseinheit des Bodenreinigungsgerätes 10.
In die Bodenplatte 12 ist eine Schmutzeintrittsöffnung 22 eingeformt, die von einer quer zur Hauptbewegungsrichtung 24 des Bodenbearbeitungsgerätes 10 ausgerichteten Bürstenwalze 26 durchgriffen ist, die drehbar an der Schmutzeintrittsöffnung 22 gehalten ist. Die Bürstenwalze 26 weist eine Vielzahl von radial ausgerichteten Bürsten 27 auf, die an einer Welle 28 fixiert sind und mit ihren freien Enden nach unten über die Schmutzeintrittsöffnung 22 überstehen.
Auf ihrer Oberseite trägt die Bodenplatte 12 ein an sich bekanntes und deshalb zur Erzielung einer besseren Übersicht in der Zeichnung nicht dargestelltes Saugaggregat sowie einen ebenfalls nicht dargestellten Schmutzsammelbehälter, der über einen Saugkanal (nicht dargestellt) mit der Schmutzeintrittsöffnung in Strömungsverbindung steht. Mittels des Saugaggregates kann ausgehend von der Schmutzeintrittsöffnung 22 ein Saugstrom in Richtung des Schmutzsammelbehälters erzeugt werden, so daß von einer zu bearbeitenden, nämlich zu reinigenden, Bodenfläche 30 Schmutz abgebürstet und in den Schmutzsammelbehälter überführt werden kann. Die Bürstenwalze 26 bildet folglich in Kombination mit dem Schmutzsammelbehälter und dem Saugaggregat eine Reinigungseinheit des Bodenbearbeitungsgerätes 10.
Zur Reinigung ist das Bodenreinigungsgerät 10 entlang der Bodenfläche 30 verfahrbar, und die Position des Bodenreinigungsgerätes 10 kann mit Hilfe von Positionssensoren 31 bis 36 bestimmt werden, die identisch aufgebaut sind und am Beispiel des Positionssensors 36 unter Bezugnahme auf die Figur 3 nachfolgend näher erläutert werden. Sie weisen jeweils ein zylinderförmiges Sensorgehäuse 39 auf mit einer vorderen Sackbohrung 40 und einer sich stu- fig erweiternden hinteren Sackbohrung 42, zwischen denen eine Zwischenwand 44 mit einer Durchgangsöffnung 45 angeordnet ist. Die hintere Sackbohrung 42 umfaßt einen hinteren Bohrungsabschnitt 47, der über eine Stufe 48 in einen vorderen Bohrungsabschnitt 49 übergeht, welcher endseitig durch die Zwischenwand 44 begrenzt ist. Jedem Positionssensor 31 bis 36 ist ein an sich bekanntes und deshalb in der Zeichnung nicht dargestelltes Leuchtelement zugeordnet, das den vom jeweiligen Positionssensor 31 bis 36 erfaßten Bodenflächenbereich homogen ausleuchtet.
Stirnseitig trägt das Sensorgehäuse 39 am Eintritt der vorderen Sackbohrung 40 eine vordere Abbildungslinse 51 mit asphärischer Oberfläche, und im Bereich des vorderen Bohrungsabschnitts 49 der hinteren Sackbohrung 42 ist eine hintere, ebenfalls asphärisch geformte Abbildungslinse 52 angeordnet. Die Zwischenwand 44 mit Durchgangsöffnung 55 bildet eine Blende 53, die in Höhe der gemeinsamen Brennebene der beiden Abbildungslinsen 51 und 52 positioniert ist.
In Höhe der Stufe 48 befindet sich die hintere Brennebene der hinteren Abbildungslinse 52, und in Höhe dieser hinteren Brennebene ist ein lichtempfindliches Element in Form eines CCD-Elementes 55 positioniert. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes "Charge Coupled Device", d. h. ein ladungsgekoppeltes Bauelement in Form eines mikroelektronischen Halbleiterelementes, das eine ortsaufgelöste Detektion von Lichtstrahlen ermöglicht. Es bildet folglich einen Bildsensor aus und ist dem Fachmann aus Videokameras, Scannern und digitalen Fotoapparaten bekannt. Das CCD-Element ermöglicht eine ortsabhängige Umwandlung von Lichtstrahlung in elektrische Ladung. Hierzu umfaßt das CCD-Element 55 ein zweidimensionales Feld von Umwandlungselementen in Form dotierter Siliziumkristalle, die bei Auftreffen von Lichtstrahlung elektrische Ladung bereitstellen. Die elektrische Ladung wird anschließend verstärkt und einer mit dem CCD-Element 55 verbundenen elektrischen Auswerteelektronik 57 in Form von Bilddaten bereitgestellt.
Die beiden Abbildungslinsen 51 und 52 bilden in Kombination mit der Blende 53 eine Abbildungsoptik, mit deren Hilfe ein Ausschnitt der Bodenfläche 30 auf das Flächenelement 55 abgebildet werden kann. Das so gewonnene Bild kann anschließend von der Auswerteelektronik 57 ausgewertet werden.
Wird das Bodenbearbeitungsgerät 10 entlang der Bodenfläche 30 verfahren, so wird in kurzen zeitlichen Abständen eine Auswertung der elektrischen Signale des CCD-Elementes 55 vorgenommen, indem eine Korrelationsfunktion zweier aufeinanderfolgender Bilder bestimmt wird. Dies ermöglicht es, aufgrund der Änderung der aufeinanderfolgenden Bilder sowohl die Fahrtrichtung und den zurückgelegten Fahrweg als auch die Geschwindigkeit des Bodenreinigungsgerätes 10 zu bestimmen. Die identisch ausgebildeten Positionssensoren 31 bis 36 sind jeweils über eine Signalleitung 59 mit der Steuereinheit 20 verbunden, die aufgrund der bereitgestellten Geschwindigkeits- und Fahrtrichtungssignalen die Bewegungsbahn des Bodenbearbeitungsgerät 10 ermittelt und den bereits überfahrenen Bereich der Bodenfläche 30 in einem Speicherglied 61 der Steuereinheit 20 abspeichert. Die Steuerung der Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsgerätes 10 erfolgt durch die Steuereinheit 20, der ein Bewegungsalgorithmus vorgegeben ist, wobei bereits überfahrene Bereiche der Bodenfläche 30 nach Möglichkeit nicht ein zweites Mal überfahren werden. Die beiden Abbildungslinsen 51 und 52 bilden in Kombination mit der Blende 53 ein telezentrisches System dergestalt, daß eine Änderung des Abstandes zwischen dem Positionssensor 36 und der Bodenfläche 30 nur eine unwesentliche Änderung des Abbildungsmaßstabes zur Folge hat, sofern der Abstand innerhalb eines durch die Abbildungseigenschaft der beiden Linsen 51 und 52 sowie die Größe der Durchgangsöffnung 45 der Blende 53 vorgegebenen Arbeitsbereiches liegt. Dieser Arbeitsbereich ist in Figur 3 schematisch illustriert und mit dem Bezugszeichen 54 belegt. Die Länge L des Arbeitsbereiches 54 beträgt ca. 20 mm, und der Abstand A des Arbeitsbereiches 54 zur vorderen Abbildungslinse 51 beträgt ca. 7 mm. Ändert sich während einer Fahrt des Bodenreinigungsgerätes 10 entlang der Bodenfläche 30 der Abstand zwischen der Bodenfläche 30 und der vorderen Abbildungslinse 54 zwischen einem Wert von etwa 7 mm bis zu einem Wert von etwa 27 mm, so führt dies praktisch zu keiner Änderung des Abbildungsmaßstabes,, d. h. der Abbildungsmaßstab, der vorzugsweise den Wert 5 aufweist, bleibt im wesentlichen gleich, und folglich wird von den Positionssensoren 31 bis 36 innerhalb des Arbeitsbereiches 54 lediglich eine Positionsänderung senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik detektiert, während eine Änderung des Abstandes zur Bodenfläche 30, d. h. eine Positionsänderung parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik, nicht detektiert wird und folglich auch nicht zu einem Positionsfehler führt.
Mittels der Auswerteelektronik 57 von jedem der Positionssensoren 31 bis 36 kann jeweils die Fahrtrichtung, der zurückgelegte Fahrweg sowie die Geschwindigkeit des Bodenreinigungsgerätes 10 bestimmt werden. Zusätzlich kann jeweils auch die Beschaffenheit und der Abstand der Bodenfläche 30 erkannt werden, indem die Intensität der auf die CCD-Elemente 55 auftreffenden Lichtstrahlung ausgewertet wird, und ein entsprechender Intensitätswert wird anläßlich einer Lernfahrt des Bodenbearbeitungsgerätes 10 positionsabhängig im Speicherglied 61 abgespeichert. Von der Steuereinheit 20 werden dann bei einer Reinigungsfahrt die momentanen Intensitätswerte der einzelnen Positionssensoren 31 bis 36 in unterschiedlicher Weise miteinander in Beziehung gesetzt. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
Die Positionssensoren 31 und 32 sind fluchtend zur Lauffläche des Antriebsrades 16 angeordnet, und eine entsprechende fluchtende Anordnung zur Lauffläche des Antriebsrades 17 weisen die Positionssensoren 33 und 34 auf. Die Intensitätswerte der auf die CCD-Elemente 55 dieser Positionssensoren 31, 32, 33 und 34 auftreffenden Lichtstrahlung werden mit einem vorgegebenen Mindestwert verglichen, der einem maximal zulässigen Abstand zwischen den Positionssensoren 31 bis 34 und der Bodenfläche 30 entspricht. Unterschreitet der momentane Intensitätswert den vorgegebenen Minimalwert, so wird dies von der Steuereinheit 20 als Überschreiten eines maximal zulässigen Abstandes zwischen dem Bodenreinigungsgerät 10 und der Bodenfläche 30 interpretiert und die Antriebsmotoren 18 und 19 werden daraufhin zu einer Fahrtrichtungsänderung angesteuert, da die Gefahr eines Absturzes vorliegt. Die Positionssensoren 31 bis 34 ermöglichen also nicht nur die Verfolgung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes 10, sondern sie bilden zusätzlich Absturzsensoren, die in Hauptbewegungsrichtung 24 vor und hinter den Antriebsrädern 16 und 17 angeordnet sind.
Von der Steuereinheit 20 werden die von den Positionssensoren 31 bis 34 bereitgestellten Intensitätssignale außerdem dahingehend ausgewertet, daß geprüft wird, ob ein Unterschied zwischen der Intensität der auf die Flächenele- mente 55 der Positionssensoren 31 und 32 auftreffenden Lichtstrahlung verglichen mit der Intensität der auf die Flächenelemente 55 der Positionssensoren 33 und 34 auftreffenden Lichtstrahlung vorliegt. Wird ein derartiger Unterschied der Intensitätswerte festgestellt, so wird dies von der Steuereinheit 20 als Existenz einer "Reinigungsgrenze" interpretiert, indem ein Bereich eines bereits gereinigten Bodenflächensegmentes erreicht ist, so daß beispielsweise von den Positionssensoren 31 und 32 ein bereits gereinigter Bodenflächenbereich und von den Positionssensoren 33 und 34 ein noch nicht gereinigter Bodenflächenbereich erfaßt wird. Dieser Beurteilung liegt die Erfahrung zugrunde, daß die Reinigung eines Bodenflächenbereiches dessen Reflexionseigenschaft beeinflußt, so daß gereinigte Bodenflächenbereiche eine andere Reflexion aufweisen als ungereinigte Bodenflächenbereiche. Die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften führen wiederum zu unterschiedlichen Intensitäten der auf die CCD-Elemente 55 der Positionssensoren 31, 32 bzw. 33, 34 auftreffenden Lichtstrahlung. Die Antriebsmotoren 18 und 19 des Bodenreinigungsgerätes 10 können bei Vorliegen einer Reinigungsgrenze von der Steuereinheit 20 derart angesteuert werden, daß das Bodenbearbeitungsgerät 10 der Reinigungsgrenze folgt. Dies ermöglicht es, innerhalb kurzer Zeit die zu reinigende Bodenfläche 30 flächendeckend abzufahren, wobei bereits gereinigte Bereiche der Bodenfläche 30 nach Möglichkeit kein zweites Mal überfahren werden.
Die Positionssensoren 35 und 36 sind in Hauptbewegungsrichtung 24 des Bodenreinigungsgerätes 10 hintereinander angeordnet, wobei der Positionssensor 35 bezogen auf die Hauptbewegungsrichtung 24 vor der Schmutzeintrittsöffnung 22 und der Bürstenwalze 26 und der Positionssensor 36 bezogen auf die Hauptbewegungsrichtung 24 hinter der Schmutzeintrittsöffnung 22 und der Bürstenwalze 26 gehalten ist. Dies hat zur Folge, daß vom Positionssensor 35 in den meisten Fällen ein noch nicht bearbeiteter, d. h. noch nicht gereinigter Bereich der Bodenfläche 30 erfaßt wird, während der Positionssensor 36 einen bereits gereinigten Bereich abtastet. Von der Steuereinheit 20 werden die Intensitätssignale der Positionssensoren 35 und 36 miteinander verglichen, um auf diese Weise ein Kriterium über die Qualität der Bodenreinigung zu erhalten. Liegt nur eine sehr geringe Differenz der Intensitätswerte der beiden Positionssensoren 35 und 36 vor, so deutet dies darauf hin, daß die Beschaffenheit der Bodenfläche 30 durch die Reinigung nur unwesentlich verändert wurde. Das Intensitätssignal des Positionssensors 36 wird von der Steuereinheit 20 zusätzlich mit dem während der Lernfahrt des Bodenreinigungsgerätes 10 abgespeicherten Referenzwert verglichen, der einem Zustand der Bodenfläche 30 bei optimaler Reinigung entspricht. Weicht das vom Positionssensor 36 bereitgestellte Intensitätssignal vom vorgegebenen Referenzwert merklich ab, so deutet dies auf ein unbefriedigendes Reinigungsergebnis hin. Dies hat zur Folge, daß von der Steuereinheit 20 die Fahrtrichtung des Bodenreinigungsgerätes 10 derart geändert wird, daß der bereits bearbeitete Bereich der Bodenfläche 30 bei unzureichendem Reinigungsergebnis ein zweites Mal überfahren wird, um das Reinigungsergebnis zu verbessern.
Auch das vom Positionssensor 35 bereitgestellte Intensitätssignal wird mit dem vorgegebenen Referenzwert verglichen. Hierbei wird von der Steuereinheit 20 geprüft, ob das der ungereinigten Bodenfläche 30 entsprechende Intensitätssignal des Positionssensor 35 nur unwesentlich vom vorgegebenen Referenzwert abweicht. Ist dies der Fall, so wird die Betriebsweise der Bürstenwalze 26 sowie des Saugaggregates derart geändert, daß diese in einen Energiesparmodus (Stand-by-Betriebsmodus) übergehen, während gleichzeitig die Fahrgeschwindigkeit des Bodenreinigungsgerätes 10 erhöht wird.
Mit Hilfe der Positionssensoren 31 bis 36 kann also jeweils die Position des Bodenreinigungsgerätes 10 bestimmt werden. Zusätzlich weisen sie die Funktion eines Absturzsensors auf, indem mit ihrer Hilfe das Überschreiten eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem Bodenreinigungsgerät 10 und der Bodenfläche 30 erkennbar ist. Darüber hinaus kann mittels der Positionssensoren 31 bis 36 die Beschaffenheit der Bodenfläche 30 erkannt werden, und aufgrund der Beschaffenheit kann eine Segmentierung der Bodenfläche 30 erzielt werden und nacheinander können einzelne Segmente der Bodenfläche 30 gereinigt werden, wobei bereits gereinigte Bodenflächensegmente nach Möglichkeit kein zweites Mal überfahren werden. Aufgrund der Erkennbarkeit der Beschaffenheit der Bodenfläche können außerdem die Reinigungsparameter optimal der Bodenfläche angepaßt werden, insbesondere können die Betriebsweisen der Bürstenwalze 26 und des Saugaggregates optimiert werden und die Fahrgeschwindigkeit kann an die Beschaffenheit der Bodenfläche 30 angepaßt werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Mobiles Bodenbearbeitungsgerät zur Bearbeitung einer Bodenfläche, das selbstfahrend und selbstlenkend ausgestaltet ist und eine Antriebseinheit, eine Bodenbearbeitungseinheit sowie eine Steuereinheit umfaßt, wobei die Steuereinheit zum Steuern der Fahrtrichtung des Bodenbearbeitungsgerätes mit der Antriebseinheit verbunden ist und der Steuereinheit mindestens ein Positionssensor zugeordnet ist zur Bestimmung der Position des Bodenbearbeitungsgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (31; 32; 33; 34; 35; 36) als mit der Bodenfläche (30) zusammenwirkender optischer Sensor ausgestaltet ist mit einem ortsauflösenden strahlungsempfindlichen Element (55), dem eine Abbildungsoptik (51, 52, 53) zur Abbildung eines Ausschnitts der Bodenfläche (30) auf das strahlungsempfindliche Element (55) sowie eine Auswerteelektronik (57) zugeordnet sind, wobei mittels der Auswerteelektronik (57) aus zeitlich aufeinander folgenden Abbildungen der Bodenfläche (30) die Fahrtrichtung und der zurückgelegte Fahrweg des Bodenbearbeitungsgerätes (10) bestimmbar sind.
2. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (31; 32; 33; 34; 35; 36) berührungslos mit der Bodenfläche zusammenwirkt und im Abstand zur Bodenfläche (30) angeordnet ist.
3. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausschnitt der Bodenfläche (30) auch bei einer Änderung des Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät (10) und der Bodenfläche (30) innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereiches (54) mittels der Abbildungsoptik (51, 52, 53) auf das strahlungsempfindliche Element (55) mit praktisch konstantem Abbildungsmaßstab abbildbar ist.
4. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Arbeitsbereich (54) über mindestens 10 mm erstreckt.
5. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausschnitt der Bodenfläche (30) mittels der Abbildungsoptik (51, 52, 53) ab einem Mindestabstand (A) von ca. 5 mm bis etwa 10 mm zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät (30) und der Bodenfläche (30) bis zu einem Maximalabstand von etwa 25 mm bis ca. 30 mm auf das strahlungsempfindliche Element (55) mit praktisch konstantem Abbildungsmaßstab abbildbar ist.
6. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab einen Wert von etwa 3 bis ca. 10 aufweist.
7. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik eine Linse (51) aufweist, in deren der Bodenfläche abgewandter Brennebene eine Blende (53) angeordnet ist.
8. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik zwei Linsen (51, 52) aufweist, in deren gemeinsamer Brennebene eine Blende (53) angeordnet ist.
9. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Linse (51, 52) eine asphärische Oberfläche aufweist.
10. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Element (55) als mikroelektronisches Halbleiterelement ausgestaltet ist.
11. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (57) und das strahlungsempfindliche Element (55) als kombiniertes mikroelektronisches Bauelement ausgestaltet sind.
12. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des mindestens einen Positionssensors (31; 32; 33; 34; 35; 36) ein Überschreiten eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgrät (10) und der Bodenfläche (30) erkennbar ist.
13. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswerteelektronik (57) die Schärfe des Abbildung des Ausschnitts der Bodenfläche (30) auswertbar ist.
14. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswetteelektronik (57) aufgrund der Schärfe der Abbildung des Ausschnitts der Bodenfläche (30) ein Überschreiten des vorgegebenen Abstandes zwischen dem Bodenbearbeitungsgerät (10) und der Bodenfläche (30) erkennbar ist.
15. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des mindestens einen Positionssensors (31) bis (36) die Beschaffenheit der Bodenfläche (30) erkennbar ist.
16. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrtrichtung und/oder die Fahrgeschwindigkeit des Bodenbearbeitungsgerätes (10) und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit (26) in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Bodenfläche (30) steuerbar sind.
17. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (30) segmentierbar ist und einzelne Bodenflächensegmente nacheinander bearbeitbar sind.
18. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (31 bis 36) in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Bodenfläche (30) selbsttätig kalibrierbar ist.
19. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswerteelektronik (57) die Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element (55) auftreffenden Strahlung auswertbar ist.
20. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes (10) und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit (26) in Abhängigkeit von der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element (55) auftreffenden Strahlung steuerbar ist.
21. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (20) ein positionsabhängiger Referenzwert der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element (55) auftreffenden Strahlung vorgebbar ist, und daß die Steuereinheit (20) ein Vergleichsglied umfaßt zum Vergleich des Referenzweites mit dem momentanen Wert der Intensität der auf das strahlungsempfindliche Element (55) auf- treffenden Strahlung, wobei die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes (10) und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit (26) in Abhängigkeit von einer Abweichung des momentanen Intensitätswertes vom Referenzwert steuerbar ist.
22. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenbearbeitungsgerät (10) zumindest zwei Positionssensoren (31; 32; 33; 34; 35; 36) aufweist, wobei die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes (10) und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit (26) in Abhängigkeit von den von den jeweiligen Positionssensoren (31; 32; 33; 34; 35; 36) erfaßten Bodenbeschaffenheiten steuerbar sind.
23. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Bodenbearbeitungsgerätes (10) und/oder die Betriebsweise der Bodenbearbeitungseinheit (26) in Abhängigkeit von den Intensitäten der auch die strahlungsempfindlichen Elemente (51) der Positionssensoren (31; 32; 33; 34; 35; 36) auftreffenden Strahlung steuerbar sind.
24. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines ersten Positionssensors (35) die Bodenfläche (30) vor deren Bearbeitung und mittels eines zweiten Positionssensors (36) die Bodenfläche (30) nach ihrer Bearbeitung erfaßbar ist.
25. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des optischen Sensors (55) und der zugeordneten Auswerteeinheit (57) eine Rotation des Bodenbearbeitungsgerätes (10) erkennbar ist.
26. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit zwei Antriebsräder (16, 17) umfaßt, die eine gemeinsame Drehachse (15) aufweisen, wobei zu beiden Seiten der gemeinsamen Drehachse (15) jeweils mindestens ein Positionssensor (31, 33 bzw. 32, 34) angeordnet ist.
27. Bodenbearbeitungsgerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenbearbeitungseinheit eine Reinigungseinheit (26) umfaßt.
28. Bodenbearbeitungsgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinheit eine Kehrbürste (26) aufweist.
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