WO2019057490A1 - Verfahren zum lokalisieren eines mobilen roboters - Google Patents

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WO2019057490A1
WO2019057490A1 PCT/EP2018/073808 EP2018073808W WO2019057490A1 WO 2019057490 A1 WO2019057490 A1 WO 2019057490A1 EP 2018073808 W EP2018073808 W EP 2018073808W WO 2019057490 A1 WO2019057490 A1 WO 2019057490A1
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robot
pose
contour
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Slawomir Sander
Rainer KUEMMERLE
Patrick Pfaff
Federico BONIARDI
Wolfram Burgard
Tim CASELITZ
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Kuka Deutschland Gmbh
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    • G01C21/30—Map- or contour-matching

Definitions

  • the present invention relates to a method for locating a mobile robot, a control means for controlling a mobile robot and a
  • Computer program product for carrying out the method and a mobile robot with the control means.
  • An object of the present invention is to improve the location of a mobile robot in a building.
  • Claims 12-14 protect a control or computer program product for carrying out a method or a mobile robot described here with a control means described here.
  • the subclaims relate to advantageous developments.
  • Locate a mobile robot in a frame of reference in one embodiment repeatedly repeated and / or performed online or during a movement of the robot, steps on: (each)
  • One embodiment of the present invention is based on the idea of using building floor plans which with high probability have constant detectable contours, in particular (building) walls or the like, in order to secure the robot in a, in particular building (floor plan),
  • Reference system better, in particular precise (r) and / or robust to locate.
  • the mobile robot has a mobile platform in one
  • the mobile robot has at least one robot arm with at least three, in particular at least six, in one embodiment at least seven, in particular electrically, in one embodiment electromotive, actuatable or actuated joints or axes.
  • the capabilities of the mobile robot can be extended.
  • the reference system has at least, in particular precisely, two position coordinates and / or at least one, in particular exactly one
  • a pose of the mobile robot describes, in one embodiment, one, two or three dimensional and / or Cartesian position and / or one, in particular one, two or three dimensional, orientation of the robot, in particular its mobile platform , relative to the frame of reference.
  • a localization in a reference system is accordingly understood in particular as the determination of a (current) pose relative to the reference system.
  • the one or more of the pose (n respectively) is determined on the basis of or in dependence on a dead reckoning, in particular odometry, or in addition to the detected environmental contour and the floor plan also a dead reckoning or odometry for locating the mobile Robot used or considered.
  • movements or position differences of the robot are detected by means of detected movements of its mobile platform, in particular wheel revolutions or the like.
  • Odometry in one embodiment, can (further) improve the precision of the localization or, conversely, the additional consideration of
  • the one or more pose (s) of the robot determined by dead reckoning becomes in one embodiment (respectively) based on or depending on the detected surrounding contour and the layout, in particular based on or depending on the Difference between the detected
  • Ambient contour and the floor plan in particular based on or depending on the comparison of the detected environmental contour and or with the floor plan corrected.
  • the one or more pose (s) determined by dead reckoning is (are) changed (in particular), in particular displaced and / or rotated, such that there is a deviation between an environmental contour detected in this co-pose pose relative to the dead reckoning pose, and a corresponding part of the ground plan or its contour relative to the corrected pose, in one embodiment on average, reduced, minimized in one embodiment.
  • a current pose of the robot is relative to that
  • Posen which are determined by means of or on the basis of dead reckoning and / or depending on, in particular differences between, in particular comparisons of, detected environmental contours and the floor plan, in particular corrected, determined.
  • a trajectory or sequence with previously approached poses relative to the frame of reference and the current pose is determined as a function of a quality criterion that includes a norm or quality function, in particular sum and / or magnitude norm, in a quadratic sum implementation, of deviations from poses the trajectory to by means of dead reckoning and / or as a function of, in particular differences between, in particular comparisons of, detected environmental contours and the floor plan determined, in particular corrected, poses and / or deviations of position differences of the trajectory to determined by dead reckoning position differences has.
  • a quality criterion that includes a norm or quality function, in particular sum and / or magnitude norm, in a quadratic sum implementation, of deviations from poses the trajectory to by means of dead reckoning and / or as a function of, in particular differences between, in particular comparisons of, detected environmental contours and the floor plan determined, in particular corrected, poses and / or deviations of position differences of the trajectory to determined by dead reckoning position differences has.
  • the trajectory or its poses is respectively updated or adapted so that the trajectory previously approached, by means of dead reckoning and / or in dependence on, in particular differences between, in particular
  • comparisons of detected contour contours and poses determined, in particular corrected poses on the one hand and dead reckoning determined by dead reckoning are approximated as well as possible, optionally taking into account, in particular weighting, further merit functions of the quality criterion.
  • poses of the trajectory are, so to speak, bound to previously determined poses by virtual feathers, and, on the other hand, poses of the trajectory are bound together by virtual feathers, the difference between these poses to search for position differences determined by dead-reckoning, the trajectory then resulting from a balance of forces of these virtual springs.
  • the current pose can be graphically spoken, as it were, by means of a virtual spring on the one hand to a means
  • the current pose is determined as a function of poses of the trajectory and poses associated therewith, in particular the coupling underlying navigation underlying these poses of the trajectory;
  • Pairing navigation poses determined whose distance to a current, in particular by means of dead reckoning and / or depending on, in particular a
  • Contour contour and the floor plan determined, in particular corrected, pose each falls below a predetermined maximum distance, if the number of these poses of the trajectory or the associated poses exceeds a predetermined minimum number.
  • the current pose is determined as a function of a quality criterion analogous to the above-described adjustment of the trajectory, the standard or merit function, in particular sum and / or magnitude norm, in a design sum of squares, the deviation of the current pose for currently using Dead reckoning and / or as a function of, in particular a difference between, in particular a comparison of, a currently detected
  • Contour contour and the floor plan determined, in particular corrected, pose and / or deviations between differences of poses of the trajectory to the current pose and differences of the corresponding determined by dead reckoning poses.
  • the floor plan is or is predefined on the basis of architectural and / or CAD data, in particular therefore architectural CAD data, and in particular can have such data, in one embodiment thereof.
  • the floor plan of the building the floor plan of a Erd-, lower or lower or upper or
  • the floor plan in one embodiment, in particular in advance or before the localization according to the invention, by means of the mobile robot, in particular by or by the mobile robot itself, detected or
  • Such robot-generated maps or floor plans can be given in an embodiment advantageously without architectural or CAD data.
  • one or the floor plan in the sense of the present invention in one embodiment, in particular theoretically pretend) e or planned, walls, door (s) or the like, in a further development thereof, in particular a floor plan in the narrow architectural Be meaning.
  • the surrounding contour (s) is / are contactless, in particular optically, in an embodiment by means of a laser, and / or by means of
  • acquired environmental contours are considered differently weighted, especially in the correction of dead reckoning poses.
  • poses of the trajectory and / or, in particular corrected, dead reckoning poses are taken into account differently weighted, in particular in the determination of the current pose and / or
  • a collision monitoring of the mobile robot is carried out on the basis of the detected environmental contour (s), in one embodiment, a collision reaction, in particular a stop and / or an evasion, in particular retreat, performed when a distance of the robot to a detected ambient contour falls below a predetermined limit.
  • Environmental contour one or, in particular reference fixed, created or updated map, in particular a simultaneous localization and map creation or - updated (SLAM) performed.
  • SLAM simultaneous localization and map creation or - updated
  • an ambient contour acquisition system in one embodiment, in particular in combination, can advantageously integrate a plurality of functionalities or a system already used for collision monitoring or localization in one additional functionality can be used.
  • Deviations between the theoretical or previously recorded ground plan of the building and the current situation, for example additional or non-existent ones, can also be created by such map creation or updating, in particular "robotic mapping"
  • Contour contour (s) and the floor plan are determined, is augmented in one embodiment, the floor plan with the map created or upgraded using the mobile robot pre-recorded or given map updated, in particular.
  • the mobile robot can advantageously be monitored in an embodiment based on the localization according to the invention, communicate with other mobile robots and / or devices such as work and / or storage stations or the like.
  • the robot is navigated on the basis of the floor plan and / or the map, in a development, in particular online, carried out a path planning and / or controlled a movement of the robot.
  • a control means for controlling the mobile robot, in particular hardware and / or software, in particular programmatically, for implementing a method described here is set up and / or has:
  • control means or its agent comprises: Means for determining the pose of the robot in dependence on dead reckoning, in particular odometry; and or
  • Posen and / or deviations from position differences of the trajectory to determined by dead reckoning position differences has;
  • Means for detecting the environmental contour without contact in particular optically, and / or by means of distance measurement; and or
  • a means in the sense of the present invention may be designed in terms of hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or a memory and / or bus system or multiple programs or program modules.
  • the CPU may be configured to implement instructions implemented as a program stored in a memory system. to process, capture input signals from a data bus and / or
  • a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be arranged to be capable of embodying the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods, and in particular, locate, particularly control, navigate in an execution, the mobile robot.
  • the computer program product may comprise, in particular, a nonvolatile storage medium for storing a program or a program stored thereon, a program or a controller, in particular a computer, causing one to execute this program described method or perform one or more of its steps. In one embodiment, one or more, in particular all, steps of
  • FIG. 1 shows a mobile robot with a control means for controlling the
  • Fig. 2 a method for locating the mobile robot after a
  • Fig. 1 shows a mobile robot 10 with a control means 1 1 for controlling the robot according to an embodiment of the present invention.
  • the mobile robot 10 has a mobile platform with a chassis 12 and a LiDAR system 13.
  • the control means 1 1 navigates the robot 10 in a building 20 relative to a building-fixed reference system, which is indicated in Fig. 1 by its x and y axis x m , y m .
  • a plan of the building 20 with architectural CAD data is stored or stored in the control means 1 1, which indicate its wall contours in or relative to the reference system x m , y m .
  • the floor plan may have been previously acquired by the robot 10 by having the robot create a corresponding map with this floor plan.
  • a current dead reckoning pose is determined and on the other hand a current surrounding contour is detected by means of the LiDAR system 13.
  • the transformation of the coupling navigation pose x t in the corrected pose y is indicated, which minimizes the deviation between the detected environmental contour 21 and the corresponding contour of the floor plan or in which the detected environmental contour with the after or through the floor plan predetermined
  • a current pose (x t , y t , 9 t ) of the mobile robot can already be determined as a corrected dead reckoning pose y.
  • a trajectory T which has previously approached poses and the current pose, is determined or respectively updated on the basis of the current pose.
  • step S30 it is checked in a step S30 whether the number of Koppelnavigations poses that are associated with poses of the previous trajectory or underlying this, and whose distance to the current Koppelnavigations pose falls below a predetermined maximum distance exceeds a predetermined minimum number, in other words whether there are already enough trajectory poses or associated coupled navigation poses in the vicinity of the current dead reckoning pose.
  • step S40 If this is the case (S30: "Y"), the process or control means 1 1 proceeds to step S40, otherwise (S30: "N") to step S50.
  • step S50 the control means 1 1 determines or updates the trajectory such that, on the one hand, the distances of their poses to the (corrected) dead reckoning poses and, on the other hand, the difference of distances between adjacent ones
  • FIG. 1 This is illustrated in FIG. 1 by means of two corrected dead reckoning poses, y +1 and corresponding trajectory poses z j; z j + 1 illustrated, with the trajectory dash-dotted lines indicated and the minimization by virtual springs
  • virtual springs tie the trajectory poses Zj, z j + 1 to the corresponding corrected dead reckoning poses y, y +1 , and on the other hand a virtual spring separates the distance between the trajectory poses z ,, z j + 1 to adapt to the distance of the corresponding odometrically determined Koppelnavigations- poses or the odometrically determined position difference seeks.
  • trajectory poses Zj, z j + 1 can also be applied directly to the
  • corresponding odometrically determined dead reckoning poses may be tied (ie, x j; instead of y, y j + 1 ).
  • the current pose is also determined as the endpoint of the trajectory.
  • control means 11 determines the current pose in an analogous manner in step S40, but not the entire previous trajectory (by the virtual feathers indicated in FIG.
  • the computing time which is of importance in the method carried out online can be shortened in the vicinity of the trajectory poses that are present in the vicinity building (floor plan) fixed map based on the ak updated locally, in particular possibly extended, whereby, for example, in the floor plan (not yet) existing obstacle 22, such as a piece of furniture or the like, can be considered, and navigated in a step S70, the robot based on this (updated) map, in particular his Lane planned and he is moved to a new pose in which the process or control means 1 1 starts again with step S100.

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Roboters (10) in einem Bezugssystem, umfasst die, insbesondere wiederholten und/oder online durchgeführten, Schritte: − Erfassen (S10) einer Umgebungskontur; und − Ermitteln (S20) einer Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, der erfassten Umgebungskontur (21) und einem Grundriss eines Gebäudes (20), der relativ zu dem Bezugssystem vorgegeben ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Roboters
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Roboters, ein Steuermittel zum Steuern eines mobilen Roboters sowie ein
Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens und einen mobilen Roboter mit dem Steuermittel.
Insbesondere für eine flexiblere Automatisierung sollen mobile Roboter in Gebäuden lokalisiert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lokalisieren eines mobilen Roboters in einem Gebäude zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 12 -14 stellen ein Steuermittel bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens bzw. einen mobilen Roboter mit einem hier beschriebenen Steuermittel unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum
Lokalisieren eines mobilen Roboters in einem Bezugssystem die, in einer Ausführung mehrfach wiederholten und/oder online bzw. während einer Bewegung des Roboters durchgeführten, Schritte auf: (jeweils)
- Erfassen einer Kontur einer Umgebung des mobilen Roboters
(„Umgebungskontur"); und
- Ermitteln einer Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem auf Basis bzw. in Abhängigkeit von dieser erfassten Umgebungskontur und einem Grundriss eines Gebäudes, welcher relativ zu dem Bezugssystem vorgegeben ist, in einer Ausführung auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen dieser erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einem Vergleich dieser erfassten Umgebungskontur und bzw. mit dem Grundriss. Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, Gebäudegrundrisse, die mit hoher Wahrscheinlichkeit konstante erfassbare Konturen, insbesondere (Gebäude)Wände oder dergleichen, aufweisen bzw. beschreiben, zu nutzen, um den Roboter in einem, insbesondere gebäude(grundriss)festen,
Bezugssystem besser, insbesondere präzise(r) und/oder robuster, zu lokalisieren.
Der mobile Roboter weist in einer Ausführung eine mobile Plattform, in einer
Weiterbildung ein, insbesondere omnidirektionales, Fahrwerk, insbesondere ein Fahrwerk mit lenkbaren und/oder Mecanum-Rädern, Raupen, Ketten oder dergleichen, auf. Hierdurch kann in einer Ausführung eine vorteilhafte Beweglichkeit zur Verfügung gestellt werden.
In einer Ausführung weist der mobile Roboter wenigstens einen Roboterarm mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens sechs, in einer Ausführung wenigstens sieben, insbesondere elektrisch, in einer Ausführung elektromotorisch, aktuierbaren bzw. aktuierten Gelenken bzw. Achsen auf.
Hierdurch können in einer Ausführung die Einsatzmöglichkeiten des mobilen Roboters erweitert werden.
Das Bezugssystem weist in einer Ausführung wenigstens, insbesondere genau, zwei Positionskoordinaten und/oder wenigstens, insbesondere genau, eine
Orientierungskoordinate auf. Es ist in einer Ausführung gebäudefest (definiert).
Entsprechend beschreibt in einer Ausführung eine Pose des mobilen Roboters eine, in einer Ausführung ein-, zwei- oder dreidimensionale und/oder kartesische, Position und/oder eine, insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensionale, Orientierung des Roboters, insbesondere seiner mobilen Plattform, relativ zu dem Bezugssystem. Unter einem Lokalisieren in einem Bezugssystem wird entsprechend insbesondere die Ermittlung einer (aktuellen) Pose relativ zu dem Bezugssystem verstanden. In einer Ausführung wird die bzw. werden eine oder mehrere der Pose(n jeweils) auf Basis bzw. in Abhängigkeit von einer Koppelnavigation, insbesondere Odometrie, ermittelt bzw. zusätzlich zur erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss auch eine Koppelnavigation bzw. Odometrie zum Lokalisieren des mobilen Roboters verwendet bzw. berücksichtigt.
Hierzu werden in einer Weiterbildung Bewegungen bzw. Posendifferenzen des Roboters mithilfe von erfassten Bewegungen seiner mobilen Plattform, insbesondere Radumdrehungen oder dergleichen, erfasst.
Durch die zusätzliche Berücksichtigung einer Koppelnavigation, insbesondere
Odometrie, kann in einer Ausführung die Präzision der Lokalisierung (weiter) verbessert bzw. umgekehrt durch die zusätzliche Berücksichtigung von
(Unterschieden bzw. Vergleichen von) erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss insbesondere eine Drift einer Koppelnavigation vorteilhaft kompensiert werden. Entsprechend wird die bzw. werden eine oder mehrere mittels Koppelnavigation ermittelte(n) Pose(n) des Roboters in einer Ausführung (jeweils) auf Basis bzw. in Abhängigkeit von der erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der erfassten
Umgebungskontur und dem Grundriss, insbesondere auf Basis bzw. in Abhängigkeit von dem Vergleich der erfassten Umgebungskontur und bzw. mit dem Grundriss, korrigiert.
In einer Ausführung wird die bzw. werden eine oder mehrere mittels Koppelnavigation ermittelte(n) Pose(n) hierzu (jeweils) so verändert, insbesondere verschoben und/oder -dreht, dass eine Abweichung zwischen einer in dieser Koppelnavigations-Pose erfassten Umgebungskontur, insbesondere relativ zur Koppelnavigations-Pose, und einem entsprechenden Teil des Grundrisses bzw. dessen Kontur relativ zur korrigierten Pose, in einer Ausführung im Mittel, reduziert, in einer Ausführung minimiert, wird.
In einer Ausführung wird eine aktuelle Pose des Roboters relativ zu dem
Bezugssystem auf Basis bzw. in Abhängigkeit von zuvor angefahrenen Posen, in einer Ausführung Posen, die mittels bzw. auf Basis von Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere Unterschieden zwischen, insbesondere Vergleichen von, erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelt, insbesondere korrigiert, worden sind, ermittelt. Durch eine (Mit)Berücksichtigung früherer Posen können in einer Ausführung vorteilhaft lokale Messfehler kompensiert werden.
In einer Ausführung wird eine Trajektorie bzw. Folge mit zuvor angefahrenen Posen relativ zu dem Bezugssystem und der aktuellen Pose in Abhängigkeit von einem Gütekriterium ermittelt, das eine Norm bzw. Gütefunktion, insbesondere Summen- und/oder Betragsnorm, in einer Ausführung Quadratsumme, von Abweichungen von Posen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere Unterschieden zwischen, insbesondere Vergleichen von, erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelten, insbesondere korrigierten, Posen und/oder von Abweichungen von Posendifferenzen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation ermittelten Posendifferenzen aufweist.
Durch eine solche Trajektorie mit der aktuellen Pose, insbesondere als Endpunkt, können in einer Ausführung frühere Posen besonders vorteilhaft berücksichtigt und somit lokale Messfehler besonders vorteilhaft kompensiert werden.
In einer Ausführung wird die Trajektorie bzw. deren Posen jeweils so aktualisiert bzw. angepasst, dass die Trajektorie zuvor angefahrene, mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere Unterschieden zwischen, insbesondere
Vergleichen von, erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelte, insbesondere korrigierte, Posen einerseits und mittels Koppelnavigation ermittelte Posendifferenzen andererseits im Sinne der Norm bzw. Gütefunktion möglichst gut approximiert, gegebenenfalls unter Berücksichtigung, insbesondere Gewichtung, weiterer Gütefunktionen des Gütekriteriums.
Anschaulich gesprochen werden Posen der Trajektorie sozusagen zum Einen durch virtuelle Federn an zuvor ermittelten Posen gefesselt und zum Anderen Posen der Trajektorie durch virtuelle Federn aneinander gefesselt, die die Differenz dieser Posen auf mittels Koppelnavigation ermittelte Posendifferenzen einzustellen suchen, wobei sich die Trajektorie dann durch ein Kräftegleichgewicht dieser virtuellen Federn ergibt.
Dabei werden in einer Ausführung mittels Koppelnavigation ermittelte
Posendifferenzen zwischen (zeitlich) aufeinanderfolgend( erfasst)en Posen
berücksichtigt.
Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung die aktuelle Pose anschaulich gesprochen sozusagen durch eine virtuelle Federn einerseits an eine mittels
Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, insbesondere einem Vergleich von, einer in der aktuellen Pose erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss ermittelte Pose und andererseits durch virtuelle Federn an Posen der Trajektorie in der Nähe gefesselt werden.
Entsprechend wird in einer Ausführung die aktuelle Pose in Abhängigkeit von Posen der Trajektorie und mit diesen verknüpften Posen, insbesondere den diesen Posen der Trajektorie zugrundeliegenden mittels Koppelnavigation ermittelten bzw.
Koppelnavigations-Posen, ermittelt, deren Abstand zu einer aktuell, insbesondere mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere einem
Unterschied zwischen, insbesondere einem Vergleich von, einer erfassten
Umgebungskontur und dem Grundriss ermittelten, insbesondere korrigierten, Pose jeweils einen vorgegebenen Höchstabstand unterschreitet, falls die Anzahl dieser Posen der Trajektorie bzw. der mit diesen verknüpften Posen eine vorgegebene Mindestanzahl überschreitet.
In einer Weiterbildung wird hierzu analog zur vorstehend erläuterten Anpassung der Trajektorie die aktuelle Pose in Abhängigkeit von einem Gütekriterium ermittelt, das eine Norm bzw. Gütefunktion, insbesondere Summen- und/oder Betragsnorm, in einer Ausführung Quadratsumme, der Abweichung der aktuellen Pose zur aktuell mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, insbesondere einem Vergleichen von, einer aktuell erfassten
Umgebungskontur und dem Grundriss ermittelten, insbesondere korrigierten, Pose und/oder von Abweichungen zwischen Differenzen von Posen der Trajektorie zur aktuellen Pose und Differenzen der entsprechenden mittels Koppelnavigation ermittelten Posen aufweist. In einer Ausführung wird bzw. ist der Grundriss auf Basis von Architektur- und/oder CAD-Daten, insbesondere also Architektur-CAD-Daten vorgegeben, er kann insbesondere solche Daten aufweisen, in einer Ausführung hieraus bestehen.
Solche Grundrisse bzw. Daten können in der Regel leicht beschafft werden und stimmen im Allgemeinen sehr gut mit dem tatsächlichen Gebäude bzw. dessen
Struktur, insbesondere Wänden, überein. In einer Ausführung kann der Grundriss des Gebäudes der Grundriss eines Erd-, unteren bzw. Unter- oder oberen bzw.
Obergeschosses bzw. -Stockwerks des Gebäudes sein.
Zusätzlich oder alternativ kann der Grundriss in einer Ausführung, insbesondere vorab bzw. vor dem erfindungsgemäßen Lokalisieren, mithilfe des mobilen Roboters, insbesondere durch den bzw. von dem mobilen Roboter selbst, erfasst bzw.
vorgegeben werden bzw. sein, er kann insbesondere eine, in einer Ausführung zuvor bzw. vorab bzw. vor dem erfindungsgemäßen Lokalisieren, mithilfe des mobilen Roboters, insbesondere durch den bzw. von dem mobilen Roboter selbst, erstellte bzw. robotererstellte Karte oder ein(en) Teil hiervon aufweisen, insbesondere sein.
Solche robotererstellte Karten bzw. Grundrisse können in einer Ausführung vorteilhaft auch ohne Architektur- bzw. CAD-Daten vorgegeben werden.
Entsprechend kann ein bzw. der Grundriss im Sinne der vorliegenden Erfindung in einer Ausführung, insbesondere theoretisch^ vorgeben)e bzw. geplante, Wände, Tür(öffnung)en oder dergleichen aufweisen, in einer Weiterbildung hieraus bestehen, insbesondere also ein Grundriss im engeren architektonischen Sinne sein.
Gleichermaßen kann ein Grundriss im Sinne der vorliegenden Erfindung in einer Ausführung zusätzlich oder alternativ, insbesondere vorab mithilfe des bzw. durch den bzw. von dem mobilen Roboter(s) erfasste, Grenzen von, insbesondere freien, Räumen bzw. Flächen, insbesondere Bodenflächen, aufweisen, in einer Weiterbildung hieraus bestehen, insbesondere also Konturen von Wänden sowie (anderen)
Hindernissen, insbesondere Möbelstücken oder dergleichen, die in einer Ausführung vorab mithilfe des bzw. durch den bzw. von dem mobilen Roboter(s) erfasst worden sind. Auch solche Grenzen werden somit vorliegend zur kompakteren Darstellung als Grundriss im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. In einer Ausführung wird/werden die Umgebungskontur(en jeweils) berührungslos, insbesondere optisch, in einer Ausführung mittels Laser, und/oder mittels
Abstandsmessung, insbesondere also mittels eines LiDAR-Systems mit einem oder mehreren Lasersensoren erfasst. Hierdurch können sie in einer Ausführung präzise, rasch und/oder berührungslos erfasst werden.
In einer Ausführung werden erfasste Umgebungskonturen unterschiedlich gewichtet berücksichtigt, insbesondere bei der Korrektur von Koppelnavigations-Posen.
Zusätzlich oder alternativ werden in einer Ausführung Posen der Trajektorie und/oder, insbesondere korrigierte, Koppelnavigations-Posen unterschiedlich gewichtet berücksichtigt, insbesondere bei der Ermittlung der aktuellen Pose und/oder
Ermittlung bzw. Erstellung oder Aktualisierung der Trajektorie und/oder Karte. Hierzu können in einer Weiterbildung jeweils Kovarianzen dieser Größen verwendet werden.
Hierdurch können in einer Ausführung Abweichungen zwischen dem Grundriss des Gebäudes und der aktuellen Situation, beispielsweise zusätzlichen Gegenständen, wenigstens teilweise verdeckten Wänden oder dergleichen, vorteilhaft berücksichtigt werden.
In einer Ausführung wird auf Basis der erfassten Umgebungskontur(en) (auch) eine Kollisionsüberwachung des mobilen Roboters durchgeführt, in einer Ausführung eine Kollisionsreaktion, insbesondere ein Stop und/oder eine Ausweich-, insbesondere Rückzugbewegung, durchgeführt, wenn ein Abstand des Roboters zu einer erfassten Umgebungskontur einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Zusätzlich oder alternativ wird in einer Ausführung mittels der Erfassung der
Umgebungskontur eine bzw. die, insbesondere bezugssystemfeste, Karte erstellt oder aktualisiert, insbesondere eine simultane Lokalisierung und Kartenerstellung bzw. - aktualisierung (SLAM) durchgeführt.
Hierdurch kann ein Umgebungskonturerfassungssystem in einer Ausführung jeweils, insbesondere in Kombination, vorteilhaft mehrere Funktionalitäten integrieren bzw. ein bereits zur Kollisionsüberwachung bzw. Lokalisierung genutztes System in einer zusätzlichen Funktionalität eingesetzt werden. Durch eine solche Kartenerstellung bzw. -aktualisierung, insbesondere -erweiterung, („robotic mapping") können zudem Abweichungen zwischen dem theoretischen bzw. zuvor erfassten Grundriss des Gebäudes und der aktuellen Situation, beispielsweise zusätzlichen oder
verschobenen Gegenständen, wenigstens teilweise verdeckten Wänden oder dergleichen, berücksichtigt werden.
Indem in einer Ausführung einerseits mittels der Erfassung der Umgebungskontur(en) eine bezugssystemfeste Karte erstellt bzw. aktualisiert und andererseits Pose(n) des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in Abhängigkeit von, insbesondere (einem) Unterschied(en) zwischen, insbesondere Vergleich(en) von, erfassten
Umgebungskontur(en) und dem Grundriss ermittelt werden, wird in einer Ausführung der Grundriss mit der erstellten Karte augmentiert bzw. die mithilfe des mobilen Roboters vorab erfasste bzw. vorgegebene Karte aktualisiert, insbesondere erweitert.
Der mobile Roboter kann in einer Ausführung auf Basis der erfindungsgemäßen Lokalisierung vorteilhaft überwacht werden, mit anderen mobilen Robotern und/oder Einrichtungen wie beispielsweise Arbeits- und/oder Ablagestationen kommunizieren oder dergleichen. In einer Ausführung wird der Roboter auf Basis des Grundrisses und/oder der Karte navigiert, in einer Weiterbildung, insbesondere online, eine Bahnplanung durchgeführt und/oder eine Bewegung des Roboters gesteuert. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Steuermittel zum Steuern des mobilen Roboters, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- Mittel zum Erfassen einer Umgebungskontur, insbesondere online und/oder
mehrfach; und
- Mittel zum Ermitteln einer Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, insbesondere einem Vergleich, der (jeweils) erfassten Umgebungskontur und einem Grundriss eines Gebäudes, der relativ zu dem Bezugssystem vorgegeben ist, insbesondere online.
In einer Ausführung weist das Steuermittel bzw. sein(e) Mittel auf: Mittel zum Ermitteln der Pose des Roboters in Abhängigkeit von einer Koppelnavigation, insbesondere Odometrie; und/oder
Mittel zum Korrigieren einer mittels Koppelnavigation ermittelten Pose des Roboters in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, insbesondere einem Vergleichen, der erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss; und/oder
Mittel zum Ermitteln einer aktuellen Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in Abhängigkeit von zuvor angefahrenen, insbesondere mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere Unterschieden zwischen, insbesondere Vergleichen von, erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelten, Posen; und/oder
Mittel zum Ermitteln einer Trajektorie mit zuvor angefahrenen Posen relativ zu dem Bezugssystem und der aktuell in Abhängigkeit von einem Gütekriterium, das eine Norm von Abweichungen von Posen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von, insbesondere Unterschieden zwischen, insbesondere Vergleichen von, erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelten
Posen und/oder von Abweichungen von Posendifferenzen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation ermittelten Posendifferenzen aufweist; und/oder
Mittel zum Ermitteln der aktuellen Pose in Abhängigkeit von Posen der Trajektorie und mit diesen verknüpften Posen, deren Abstand zu einer aktuell ermittelten Pose jeweils einen vorgegebenen Höchstabstand unterschreitet, falls die Anzahl dieser Posen der Trajektorie eine vorgegebene Mindestanzahl überschreitet; und/oder
Mittel zum Erfassen der Umgebungskontur berührungslos, insbesondere optisch, und/oder mittels Abstandsmessung; und/oder
Mittel zum Durchführen einer Kollisionsüberwachung auf Basis der erfassten
Umgebungskontur; und/oder
Mittel zum Erstellen oder Aktualisieren, einer bezugssystemfesten Karte mittels der Erfassung der Umgebungskontur; und/oder
Mittel zum Navigieren des Roboters auf Basis des Grundrisses und/oder der Karte.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder
Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den mobilen Roboter lokalisieren, insbesondere steuern, in einer Ausführung navigieren, kann. Ein
Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht- flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen. In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des
Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das Steuermittel bzw. sein(e) Mittel.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert,: Fig. 1 : einen mobilen Roboter mit einem Steuermittel zum Steuern des
Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: ein Verfahren zum Lokalisieren des mobilen Roboters nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen mobilen Roboter 10 mit einem Steuermittel 1 1 zum Steuern des Roboters nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Der mobile Roboter 10 weist eine mobile Plattform mit einem Fahrwerk 12 und ein LiDAR-System 13 auf. Das Steuermittel 1 1 navigiert den Roboter 10 in einem Gebäude 20 relativ zu einem gebäudefesten Bezugssystem, das in Fig. 1 durch seine x- und y-Achse xm, ym angedeutet ist.
Hierzu wird bzw. ist in dem Steuermittel 1 1 ein Grundriss des Gebäudes 20 mit Architektur-CAD-Daten abgespeichert, die dessen Wandkonturen im bzw. relativ zum Bezugssystem xm, ym angeben. In einer Abwandlung kann der Grundriss auch vorab mithilfe des Roboters 10 erfasst worden sein, indem der Roboter eine entsprechende Karte mit diesem Grundriss erstellt (hat).
In einem Verfahrensschritt S10 (vgl. Fig. 2) wird zum Einen odometrisch eine aktuelle Koppelnavigations-Pose ermittelt und zum Anderen mittels des LiDAR-Systems 13 eine aktuelle Umgebungskontur erfasst.
Diese vergleicht das Steuermittel 1 1 in einem Schritt S20 mit dem abgespeicherten Grundriss und ermittelt auf Basis eines Unterschieds bzw. dieses Vergleichs eine korrigierte Pose. Dies ist in Fig. 1 exemplarisch für eine odometrisch ermittelte Koppelnavigations-Pose X illustriert, wobei diese odometrisch ermittelte Pose eines roboterfesten
Referenzsystems relativ zum Bezugssystem xm, ym strichpunktiert, die erfasste Umgebungskontur 21 fett ausgezogen und diejenige Umgebungskontur fett gestrichelt angedeutet ist, die nach dem Grundriss in der Pose x erfasst werden bzw. vorliegen müsste.
Mit e, ist die Transformation der Koppelnavigations-Pose xt in diejenige korrigierte Pose y angedeutet, die die Abweichung zwischen der erfassten Umgebungskontur 21 und der entsprechenden Kontur des Grundrisses minimiert bzw. in der die erfasste Umgebungskontur mit der nach dem bzw. durch den Grundriss vorgegebenen
Gebäudekontur möglichst gut übereinstimmt.
Im Prinzip kann so bereits eine aktuelle Pose (xt, yt, 9t) des mobilen Roboters als korrigierte Koppelnavigations-Pose y ermittelt werden. Im Ausführungsbeispiel wird jedoch eine Trajektorie T, die zuvor angefahrene Posen und die aktuelle Pose aufweist, ermittelt bzw. jeweils auf Basis der aktuellen Pose aktualisiert.
Hierzu wird in einem Schritt S30 geprüft, ob die Anzahl der Koppelnavigations-Posen, die mit Posen der bisherigen Trajektorie verknüpft sind bzw. diesen zugrundeliegen, und deren Abstand zur aktuellen Koppelnavigations-Pose einen vorgegebenen Höchstabstand unterschreitet, eine vorgegebene Mindestanzahl überschreitet, mit anderen Worten, ob in der Nähe der aktuellen Koppelnavigations-Pose bereits ausreichend viele Trajektorien-Posen bzw. mit diesen verknüpfte Koppelnavigations- Posen vorliegen.
Ist dies der Fall (S30:„Y"), fährt das Verfahren bzw. Steuermittel 1 1 mit Schritt S40 fort, andernfalls (S30:„N") mit Schritt S50.
In Schritt S50 ermittelt bzw. aktualisiert das Steuermittel 1 1 die Trajektorie derart, dass einerseits die Abstände ihrer Posen zu den (korrigierten) Koppelnavigations- Posen und andererseits die Differenz von Abständen zwischen benachbarten
Trajektorien-Posen und Abständen zwischen entsprechenden Koppelnavigations- Posen im Mittel minimal werden.
Dies ist in Fig. 1 anhand von zwei korrigierten Koppelnavigations-Posen , y+1 und entsprechenden Trajektorien-Posen zj; zj+1 illustriert, wobei die Trajektorie strich- doppelpunktiert angedeutet und die Minimierung durch virtuelle Federn
veranschaulicht ist, wobei einerseits virtuelle Federn die Trajektorien-Posen Zj, zj+1 an die entsprechenden korrigierten Koppelnavigations-Posen y, y+1 fesseln, und andererseits eine virtuelle Feder den Abstand zwischen den Trajektorien-Posen z,, zj+1 an den Abstand der entsprechenden odometrisch ermittelten Koppelnavigations- Posen bzw. die odometrisch ermittelte Posendifferenz anzupassen sucht.
Gleichermaßen können die Trajektorien-Posen Zj, zj+1 auch direkt an die
entsprechenden odometrisch ermittelten Koppelnavigations-Posen gefesselt sein bzw. werden (d.h. xj; anstelle von y, yj+1 ).
Dabei wird auch die aktuelle Pose als Endpunkt der Trajektorie mit ermittelt bzw.
angepasst. Hierdurch können vorteilhaft im Vergleich zu einer alleinigen Korrektur nur in Abhängigkeit von dem Vergleich der aktuell erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss lokale Ausrei ßer durch die Gesamtoptimierung der Trajektorie kompensiert werden.
Falls in der Nähe der aktuellen Koppelnavigations-Pose bereits ausreichend viele mit Trajektorien-Posen verknüpfte bzw. diesen zugrundeliegende Koppelnavigations- Posen vorliegen (S30:„Y"), ermittelt das Steuermittel 1 1 in Schritt S40 die aktuelle Pose in analoger Weise, wobei jedoch nicht die gesamte bisherige Trajektorie (durch die in Fig. 1 angedeuteten virtuellen Federn) mit aktualisiert wird, sondern in analoger Weise einerseits die aktuelle Pose durch eine virtuelle Feder an die aktuelle korrigierte Koppelnavigations-Pose gefesselt ist und andererseits virtuelle Federn die Abstände zwischen ihr und den in der Nähe befindlichen Trajektorien-Posen an die Abstände der entsprechenden odometrisch ermittelten Koppelnavigations-Posen anzupassen suchen. Hierdurch kann insbesondere die Rechenzeitverkürzt werden, die bei dem online durchgeführten Verfahren von Bedeutung ist. In einem Schritt S60 wird eine bzw. die bezugssystem- bzw. gebäude(grundriss)feste Karte auf Basis der aktuell erfassten Umgebungskontur aktualisiert, insbesondere gegebenenfalls erweitert, wodurch beispielsweise ein im Grundriss (noch) nicht vorhandenes Hindernis 22, beispielsweise ein Möbelstück oder dergleichen, berücksichtigt werden kann, und in einem Schritt S70 der Roboter auf Basis dieser (aktualisierten) Karte navigiert, insbesondere seine Bahn geplant und er in eine neue Pose verfahren wird, in der das Verfahren bzw. Steuermittel 1 1 wieder mit Schritt S100 beginnt.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen
Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die
Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die
Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
Bezuqszeichenliste
10 mobiler Roboter
1 1 Steuermittel
12 Fahrwerk
13 LiDAR-System
20 Gebäude
21 erfasste Umgebungskontur
22 Hindernis
(xt, yt, et) aktuelle Pose
x- und y-Achse gebäudefesten Bezugssystems
Transformation
X\ Koppelnavigations-Pose
korrigierte Koppelnavigations-Pose
Z\, zj+1 Trajektorien-Pose
T Trajektorie

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Lokalisieren eines mobilen Roboters (10) in einem Bezugssystem, mit den, insbesondere wiederholten und/oder online durchgeführten, Schritten:
- Erfassen (S10) einer Umgebungskontur; und
- Ermitteln (S20) einer Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in
Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, der erfassten Umgebungskontur (21 ) und einem Grundriss eines Gebäudes (20), der relativ zu dem Bezugssystem vorgegeben ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pose des
Roboters in Abhängigkeit von einer Koppelnavigation, insbesondere Odometrie, ermittelt wird.
3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels Koppelnavigation ermittelte Pose des Roboters in Abhängigkeit von der erfassten Umgebungskontur und dem Grundriss korrigiert wird (S40, S50).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in
Abhängigkeit von zuvor angefahrenen, insbesondere mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von erfassten Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelten, Posen ermittelt wird (S40, S50).
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trajektorie ( 7) mit zuvor angefahrenen Posen relativ zu dem Bezugssystem und der aktuellen Pose in Abhängigkeit von einem Gütekriterium ermittelt wird (S40, S50), das eine Norm von Abweichungen von Posen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation und/oder in Abhängigkeit von erfassten
Umgebungskonturen und dem Grundriss ermittelten Posen und/oder von
Abweichungen von Posendifferenzen der Trajektorie zu mittels Koppelnavigation ermittelten Posendifferenzen aufweist.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Pose in Abhängigkeit von Posen der Trajektorie und mit diesen verknüpften Posen ermittelt wird, deren Abstand zu einer aktuell ermittelten Pose jeweils einen vorgegebenen Höchstabstand unterschreitet, falls die Anzahl dieser Posen der Trajektorie eine vorgegebene Mindestanzahl überschreitet (S40).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss mithilfe des mobilen Roboters (10) und/oder auf Basis von
Architektur- und/oder CAD-Daten vorgegeben wird, insbesondere Architektur- und/oder CAD-Daten aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungskontur berührungslos, insbesondere optisch, und/oder mittels Abstandsmessung, erfasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der erfassten Umgebungskontur eine Kollisionsüberwachung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassung der Umgebungskontur eine bezugssystemfeste Karte erstellt oder aktualisiert wird (S60).
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter auf Basis des Grundrisses und/oder der Karte navigiert wird (S70).
12. Steuermittel (1 1 ) zum Steuern eines mobilen Roboters (10), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Erfassen einer Umgebungskontur; und
- Mittel zum Ermitteln einer Pose des Roboters relativ zu dem Bezugssystem in Abhängigkeit von, insbesondere einem Unterschied zwischen, der erfassten
Umgebungskontur (21 ) und einem Grundriss eines Gebäudes, der relativ zu dem Bezugssystem vorgegeben ist.
13. Mobiler Roboter (10) mit einem Steuermittel (1 1 ) zum Steuern des Roboters nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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