WO2021069292A1 - Verfahren zum betreiben eines autonomen fahrzeugs, autonomes fahrzeug und computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines autonomen fahrzeugs, autonomes fahrzeug und computerprogrammprodukt Download PDF

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WO2021069292A1
WO2021069292A1 PCT/EP2020/077488 EP2020077488W WO2021069292A1 WO 2021069292 A1 WO2021069292 A1 WO 2021069292A1 EP 2020077488 W EP2020077488 W EP 2020077488W WO 2021069292 A1 WO2021069292 A1 WO 2021069292A1
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measuring wheel
wheel
wheels
measuring
autonomous vehicle
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PCT/EP2020/077488
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English (en)
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Christian Scheurer
Christoph Prummer
Markus Hoelzle
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KUKA Deutschland GmbH
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KUKA Deutschland GmbH
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0212—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles with means for defining a desired trajectory
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B19/00—Wheels not otherwise provided for or having characteristics specified in one of the subgroups of this group
    • B60B19/003—Multidirectional wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/025—Active steering aids, e.g. helping the driver by actively influencing the steering system after environment evaluation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D63/00—Motor vehicles or trailers not otherwise provided for
    • B62D63/02—Motor vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an autonomous vehicle having a vehicle body on which a plurality of wheels are rotatably mounted, of which at least one wheel is driven, the wheels being designed for moving the autonomous vehicle on a ground in which the wheels are controlled by means of a control device in their respective directions of rotation, rotational speeds and / or steering positions.
  • the invention also relates to an autonomous vehicle, in particular an autonomous omnidirectional wheel vehicle and an associated computer program product.
  • an omnidirectional vehicle which has omnidirectional wheels and a vehicle body to which at least one of the omnidirectional wheels is attached by means of an independent wheel suspension.
  • a Mecanum wheel is known, for example, from EP 1912 799 B1 and from EP 2176 075 B1.
  • the object of the invention is to create a method with which an autonomous vehicle can be controlled particularly flexibly and with high driving precision by a control device for automatically driving the wheels.
  • high driving precision should also be achieved when the autonomous vehicle changes from a first surface to a second surface, with a relative movement between the first surface and the second surface.
  • the object is achieved by a method for operating an autonomous vehicle which has a vehicle body on which a plurality of wheels are rotatably mounted, of which at least one wheel is driven, the wheels being designed to move the autonomous vehicle on a ground, in that the wheels are controlled by means of a control device in their respective directions of rotation, rotational speeds and / or steering positions, having the following steps:
  • the autonomous vehicle is designed for driverless driving.
  • the autonomous vehicle has a control device, which can also be referred to as a driving control device.
  • the control device controls and / or regulates the directions of rotation and the rotational speeds or possibly also the rotational accelerations of the driven wheels of the autonomous vehicle automatically.
  • the autonomous vehicle can also have non-powered wheels which, without being controlled by the control device, are only rotatably mounted on the vehicle body of the autonomous vehicle without being connected to a drive device.
  • the autonomous vehicle can, for example, be a driverless transport system (AGV).
  • Each driven wheel can have a hub or axle that is connected to a motor.
  • each individual wheel can be assigned its own motor.
  • the control device drives the respective drivable wheel in that the control device controls the respective motor and the respective motor drives or brakes the corresponding wheel.
  • the driven wheels are regularly mounted rotatably about a wheel axis on the vehicle body, in particular on a chassis forming the vehicle body.
  • omnidirectional wheels apart from their rotatable bearing around the wheel axis, they cannot regularly be reoriented or pivoted about any other axis, ie the wheels are not steerable wheels.
  • the autonomous vehicle can also have steering wheels.
  • the omnidirectional wheels are operated at different turning speeds. Depending on the rotational speed differences, which can also include different directions of rotation, one wheel to another wheel produces a resulting movement of the autonomous vehicle.
  • the ground can be any ground, any roadway or any facility on which the autonomous vehicle is able to move independently by means of its driven wheels.
  • a subsurface (second subsurface) that moves in relation to the environment (first subsurface) can be, for example, a ground-level conveyor belt in an assembly line in a factory.
  • the control device is designed to control the motors, to each of which a driven wheel are connected, with regard to their direction of rotation and rotational speed or Drehbe acceleration, so that in cooperation of all driven omnidirectional wheels, a resulting direction of movement, rotation and / or speed of movement of the entire Omnidirectional wheels vehicle is set in order to be able to automatically drive along a predetermined path of movement, and / or to be able to navigate automatically to a specific location.
  • the control of the omnidirectional wheels can preferably be coordinated in such a way that all omnidirectional wheels are in rolling, in particular slip-free, frictional engagement with the ground
  • the control device can be designed and set up to automatically set the respective steering positions of the steering wheels.
  • the at least one measuring wheel can be a measuring wheel that differs from the wheels for moving the autonomous vehicle.
  • the at least one measuring wheel can be used in addition to the wheels Moving the autonomous vehicle can be provided on the autonomous vehicle.
  • the measuring wheel which cannot be driven in this respect, can be formed in one embodiment by a wheel of the autonomous vehicle, which rolls on a surface or a roadway to move the autonomous vehicle and thus carries the chassis of the autonomous vehicle, but not to drive the autonomous vehicle contributes, but only serves as a load-bearing, passive support wheel.
  • the measuring wheel can only be designed as a type of measuring sensor.
  • the measuring wheel is designed neither as a drive wheel nor as a support wheel, but can be pressed against the ground, i.e. the roadway, independently of the dead weight of the autonomous vehicle, for example by means of a movable support arm.
  • the at least one measuring wheel can be at least one of the wheels for moving the autonomous vehicle.
  • the autonomous vehicle has a redundant number of wheels.
  • the autonomous vehicle can have at least four or more wheels for moving the autonomous vehicle.
  • the wheel in question which is otherwise provided in the other operating mode for moving the autonomous vehicle, can be switched to driveless mode in the operating mode as a measuring wheel.
  • the orientation of the measuring wheel can be changed in particular by turning the measuring wheel.
  • the orientation of the measuring wheel can be changed by changing the orientation of the autonomous vehicle.
  • the vertical axis of rotation only requires a directional component that protrudes from the plane of the ground. Accordingly, the vertical axis of rotation does not necessarily have to be oriented at exactly 90 °, that is to say protruding at right angles from the plane of the subsurface. So the wheel in question can have toe and / or camber to a certain extent. Equally well, the vertical axis of rotation can be oriented by exactly 90 ° that protrudes at the right angle from the plane of the ground.
  • the motion vector comprises the direction of movement of the second underground relative to the first underground in the plane of the second underground, i.e. in particular in a horizontal plane, and the speed of movement of the second underground relative to the first underground.
  • the motion vector of the second subsurface is determined from a first angle and a second angle of the at least one orientation of the at least one measuring wheel, and a measured first rotational speed and a measured second rotational speed of the at least one measuring wheel.
  • the first basic embodiment at least two measuring wheels are used.
  • a first measuring wheel is arranged in a first orientation relative to the second substrate and a second measuring wheel is arranged in a second orientation relative to the second substrate.
  • the first angle of the first orientation of the first measuring wheel and the second angle of the second orientation of the second measuring wheel are known.
  • the first rotational speed of the first measuring wheel is then recorded in the first orientation and the second rotational speed of the second measuring wheel is recorded in the second orientation.
  • only a single measuring wheel is used. In order to be able to generate two different angles, the individual measuring wheel is reoriented from its first orientation, which corresponds to the first angle, to a second orientation of the individual measuring wheel, which corresponds to the second angle. Accordingly, the method can be developed as follows.
  • an amplitude A of a sinusoid can be derived from the angle 0 ⁇ w of the first orientation of the individual measuring wheel, the measured first rotational speed V ⁇ w of the individual measuring wheel, the angle 0 ' ⁇ w of the second orientation of the individual measuring wheel and the measured second rotational speed V ' iw of the individual measuring wheel according to the formula: can be calculated, the speed of movement Vbeit of the second underground from the amplitude A, as well as the rolling radius r of the individual measuring wheel according to the formula: and the angle ⁇ beit the direction of movement of the second underground from the measured first rotational speed V ⁇ w of the individual measuring wheel and the amplitude A via the angular difference of the angle Q ' ⁇
  • the sine curve is set in a Cartesian coordinate system when the angle of the orientation of the individual measuring wheel is plotted on the abscissa axis of the coordinate system and the assigned rotational speeds V ⁇ w of the individual measuring wheel are plotted on the ordinate axis, which vary depending on the Determine the orientation of the individual measuring wheel and the constant relative speed between the first background and the second background.
  • the amplitude defines the maximum speed Viw of the individual measuring wheel in its 90 ° orientation to the second underground.
  • the rolling radius is half the diameter of the rolling roller of the measuring wheel rolling on the second substrate on axi- al height of the point of contact of the rolling roller on the second surface.
  • the commanded reorientation angle is the angle to be specified on the control side by which the measuring wheel is to be swiveled from its first orientation to its second orientation in order to be able to obtain two different measured values in two different orientations of the measuring wheel.
  • the relative angle is the angle difference between the axis of rotation of the measuring wheel and the axis of rotation of the rolling roller rolling on the second underground.
  • the respective axis of rotation of the respective generating roller is oriented differently at an angle of 45 ° relative to the axis of rotation of the measuring wheel. In this case the relative angle is 45 °.
  • a further development of the method according to the invention for operating an autonomous vehicle has the following steps:
  • the movement speed Vbeit of the second background can be calculated by vector addition from a total speed V s , r es of the first rotational speed Vi, w of the first measuring wheel and the second rotational speed V2, w of the second measuring wheel, as well as the rolling - Radius r of the first and second measuring wheel is calculated, where in the case of a first measuring wheel and a second measuring wheel, each in the form of a Mecanum wheel, the speed of movement Vbeit of the second underground according to the formula: are calculated, and the angle Obeit the direction of movement of the second underground from the measured first rotational speed V ⁇ w of the individual measuring wheel and the amplitude A via the angular difference of the angle Q ' iw of the second Orientie tion of the individual measuring wheel and the angle 0iw of the first orientation of the individual measuring wheel according to the formulas: q ' iw - sin 1 (Viw / A)
  • the method can have the following steps:
  • the speed of movement Vbeit of the second background can be calculated on the basis of the measured n rotational speeds Vi, w of the n measuring wheels from the Jakobi matrix J or its pseudo inverse according to the formula:
  • V belt - J + f '[1,2, ... n], where cp' [i, 2, ... n] are the measured angular speeds of the n measuring wheels, in particular the n Mecanum wheels, and J + die Pseudo-inverse of the Jacobi matrix with so together be calculated.
  • an autonomous vehicle having a vehicle body on which a plurality of wheels are rotatably mounted, of which at least one wheel is driven, the wheels being designed for moving the autonomous vehicle on a surface in which the Wheels are controlled by means of a control device in their respective directions of rotation, rotational speeds and / or steering positions, and having at least one measuring wheel mounted on the vehicle body, which is an omnidirectional wheel or a Mecanum wheel with a rotating axis around the measuring wheel Measuring wheel body and with non-drive rollers arranged on the measuring wheel body distributed over the circumference, which in the case of an omnidirectional wheel are aligned at a design-related angle to the measuring wheel axis of rotation, and in the case of a Mecanum wheel at an angle of 45 degrees to the measuring wheel axis of rotation, the on driftless rollers on the ground rolling, is formed, wherein the control device is designed to perform a procedural Ren, as described in one of the embodiments of the invention, the at least one measuring wheel
  • the omnidirectional wheels can generally each have a wheel hub that is rotatable about an axis of rotation, with at least one wheel body connected to the wheel hub. are provided by a number of spherical rolling elements, which are arranged distributed evenly along a circumferential jacket of the wheel and are aligned with their rolling axes at a bauartbe related angle to the axis of rotation of the wheel hub.
  • the rolling bodies can be supported freely rotatably ge at their opposite ends with respect to the wheel body, for example.
  • the omnidirectional wheels can be designed analogously to US Pat. No. 3,789,947, for example.
  • the design-related angle of the rolling axes of the rolling elements to the axis of rotation of the wheel hub for example 90 °.
  • the omnidirectional wheels can be designed as Mecanum wheels, for example, and can in particular have a wheel hub that is rotatable about an axis of rotation, two wheel disks connected to the wheel hub being arranged coaxially to the wheel hub and a number of spherical rolling elements being provided which arranged between the wheel disks, evenly distributed along a circumferential surface of the wheel and aligned with their roll axes at a diagonal angle of 45 ° to the axis of rotation of the wheel hub.
  • the rolling elements are freely rotatable with respect to the wheel disks.
  • the rolling bodies can be mounted directly on the inside of the wheel discs via associated bearings or be mounted on separate receiving components that are attached to the wheel discs.
  • the design-related angle of the rolling axes of the rolling elements to the axis of rotation of the wheel hub is 45 °, for example.
  • the Mecanum wheels can be designed, for example, in accordance with EP 2 176 075 A1 or in accordance with EP 1 912 799 B1.
  • a coordinated control of the driven wheels can be done by the control device by the
  • the control device controls the motors, to each of which a driven wheel are connected, with regard to their direction of rotation and rotational speed or rotational acceleration, so that a resulting movement direction, rotation and / or movement speed of the entire omnidirectional wheels vehicle is set in cooperation with all driven omnidirectional wheels in order to be able to automatically follow a specified path of movement and / or to be able to navigate to a specific location automatically.
  • the control of the omnidirectional wheels can preferably be coordinated so that all omnidirectional wheels are in rolling, in particular slip-free, friction engagement with the ground.
  • the autonomous vehicle can in particular be an autonomous omnidirectional wheels vehicle, having a vehicle body on which several omnidirectional wheels or Mecanum wheels are rotatably and independently driven to move the autonomous vehicle on a ground by the omnidirectional wheels or Mecanum wheels are controlled by means of a control device in their respective directions of rotation and rotational speeds, the omnidi rectal wheels or Mecanum wheels each having a measuring wheel body rotatable about the measuring wheel axis of rotation and non-drive Rol len arranged on the measuring wheel body distributed over the circumference, which in the case of a omnidirectional wheel are aligned at a design-related angle to the measuring wheel axis of rotation, and in the case of a Mecanum wheel are aligned at an angle of 45 degrees to the measuring wheel axis of rotation, with the non-driven rollers rolling on the ground and with a steering movement of the Omn idirectional wheels vehicle can be executed through differences in the directions of rotation and speed of rotation of the omnidirectional wheels or Mecanum wheels, and at least one measuring
  • the object of the invention is also achieved by a computer program product having a machine-readable carrier on which program code is stored, which can be read out by a driving control device of the autonomous vehicle, as described in accordance with the invention, or of the autonomous omnidirectional wheel vehicle, as described in accordance with the invention, and which the drive control device trains and / or sets up a method as described according to one of the inventive embodiments, if the program code from the drive control device of the autonomous vehicle, as described according to the invention, or the autonomous omnidirectional wheeled vehicle, as described according to the invention, is performed.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an autonomous vehicle in the exemplary design of an omnidirectional wheel vehicle with Mecanum wheels
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a kinematic model of the omnidirectional wheel vehicle according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of an exemplary Mecanum wheel with a relative angle of 45 ° on its own
  • Fig. 4 is a perspective view of an exemplary omnidirectional wheel of a different type with a relative angle of 90 °
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the reorientation of a measuring wheel according to the invention on the second underground
  • FIG. 6 shows a diagram of the rotational speed of the measuring wheel over the angle of the orientations of the measuring wheel on the second substrate using the example of the Mecanum wheel
  • FIG. 7 to 14 show a schematic sequence of driving an omnidirectional wheel vehicle from a stationary surface onto a conveyor track moving in the direction of the arrow according to the method according to the invention.
  • the exemplary autonomous vehicle 1 shown in Fig. 1 has a vehicle body 2 on which a plurality of wheels 4 are rotatably mounted, of which at least one wheel 4 is being driven, the wheels 4 for moving the autonomous vehicle 1 on a ground 5.1, 5.2, 5.3 are trained. To this end, the wheels 4 are controlled in their respective directions of rotation, rotational speeds and / or steering positions by means of a control device 3.
  • the autonomous vehicle 1 has at least one measuring wheel 4a mounted on the vehicle body 2, which can be designed as a Mecanum wheel 4b (FIG. 3) or as an omnidirectional wheel 4c (FIG. 4), for example, as shown in FIG. 1 .
  • the measuring wheel 4a has a measuring wheel body 7 rotatable about the measuring wheel axis of rotation D and with non-drive rollers 6 arranged on the measuring wheel body 7 distributed over the circumference, which in the case of an omnidirectional wheel 4c (Fig. 4) at a design-related angle of 90 degrees to Measuring wheel axis of rotation D are aligned, and in the case of the Mecanum wheel 4b (Fig. 3) at an angle of 45 degrees to measuring wheel axis of rotation D are aligned.
  • the non-driven rollers 6 are each designed to roll on the substrate 5.1, 5.2, 5.3.
  • the control device 3 is designed to carry out one or more of the methods according to the invention.
  • the at least one measuring wheel 4a for carrying out one or more embodiments of the method according to the invention is formed in the case of the exemplary embodiment in FIG. 1 by at least one of the Mecanum wheels 4b for moving the autonomous vehicle 1.
  • the Steuervor direction 3 is designed accordingly to carry out one of the inventive method.
  • the basic method comprises driving the autonomous vehicle 1 on a first surface 5.1 by controlling the wheels 4 by means of the control device 3 in mutually coordinated directions of rotation, rotational speeds and / or steering positions such that the autonomous vehicle 1 approaches a second surface 5.2, which second subsurface 5.2 moves relative to the first subsurface 5.1 at a speed difference to the first subsoil 5.1.
  • the at least one measuring wheel 4a of the autonomous vehicle 1 is applied to the second surface 5.2 in an orientation of the measuring wheel 4a with respect to an axis of rotation A (Fig.
  • a motion vector of the second subsurface 5.2 is then determined from a first angle Q and a second angle Q 'of the at least one orientation of the at least one measuring wheel 4a, and a measured first rotational speed and a measured second rotational speed of the at least one measuring wheel 4a.
  • FIG. 5 illustrates in particular the application of an individual measuring wheel 4a of the autonomous vehicle 1 in a first orientation Q of the individual measuring wheel 4a with respect to an axis of rotation A of the individual measuring wheel 4a vertical to the second background 5.2, the measurement of a first rotational speed V2 w of the individual measuring wheel 4a in the first orientation Q, as shown in dashed lines in FIG.
  • the individual measuring wheel 4a is reoriented from the first orientation Q into a second orientation Q 'different from the first orientation Q around the axis of rotation A of the individual measuring wheel 4a on the second background 5.2, vertical to the second background 5.2, when the autonomous vehicle is 1 continues to be supported on the first substrate 5.1, as shown in Fig. 5 not dashed, that is, shown in solid lines.
  • a second rotational speed V'2 w of the individual measuring wheel 4a is measured in the second orientation q', and then the movement vector is determined.
  • FIGS. 7 to 14 each show an omnidirectional wheel vehicle 1, having a vehicle body 2, with rotatably mounted thereon, in the case of the present exemplary embodiment four drivable, omnidirectional wheels 4, each of the four wheels 4 is designed to move the omnidirectional wheel vehicle 1 on a ground 5.1, 5.2, 5.3.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 also has a control device 3 for individual control of the four wheels 4 in their directions of rotation and speeds.
  • the control device 3 is designed to carry out one or more of the method according to the invention.
  • the method is illustrated below using an omnidirectional wheeled vehicle 1 with four driven omnidirectional wheels 4. All of the descriptions mentioned in this regard can also be used for omnidirectional vehicles 1 with more than four driven omnidirectional wheels 4 in the same sense. Regardless of how many driven omnidirectional wheels 4 the omnidirectional wheels vehicle 1 has, the basic requirement is that at least three wheels 4 from the control device 3 must always be in a controlling, driven or braking state so that the position and orientation of the omnidirectional wheels vehicle 1 is intended. So that at least one individual wheel 4 can be switched to driveless mode and the omnidirectional wheel vehicle 1 still remains in a controlled state, the omnidirectional wheel vehicle 1 must therefore have at least four wheels 4. Therefore, in the following the simplest embodiment described so far.
  • the method according to the invention relates to driven wheels 4 and is therefore independent of whether the omnidirectional wheels vehicle 1 has one or more non-driven additional wheels 4, if necessary.
  • additional wheels can be useful, for example, if a high load capacity of the omnidirectional wheels vehicle 1 is to be achieved, ie the load is to be distributed over as many wheels 4 as possible, but only a smaller number of wheels 4 must be driven from, in order to be able to move the omnidirectional wheeled vehicle 1.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is first driven with all four driven wheels 4 on a first surface 5.1 by controlling all four wheels 4 with means of the control device 3 in mutually coordinated directions of rotation and rotational speeds of all four wheels 4.
  • the first base 5.1 is stationary, ie stationary with respect to the environment.
  • a second background 5.2 has a movement speed relative to the first background 5.1, which is indicated by the arrows.
  • the second underground 5.2 can be, for example, a ground-level conveyor belt in a serial production line of a factory.
  • the omnidirectional wheeled vehicle 1 approaches the second ground 5.2, which second ground 5.2 moves relative to the first ground 5.1 with an in particular constant differential speed to the first ground 5.1.
  • the omnidirectional wheeled vehicle 1 should drive over the moving second ground 5.2, as unaffected as possible by the movement of the second ground 5.2, without inadvertently deviating from the planned path.
  • the actual speed of movement of the second sub- Basically 5.2, the control device 3 of the omnidirectional wheel vehicle 1 is initially unknown, ie not specified.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is automatically driven by means of the control device 3 by driving all four wheels 4 in mutually coordinated directions of rotation and rotational speeds. Accordingly, all four wheels 4 travel with respect to a common loading system, namely the first substrate 5.1. These wheels 4 are all hatched in their driven states Darge presents.
  • the controlled driving of the wheel 4 to be driven onto the second surface 5.2 is switched off, so that the wheel 4 to be driven onto the second surface 5.2 can rotate freely and thus forms a measuring wheel 4a according to the invention , so that it already assumes a direction of rotation and rotation speed during the subsequent opening and also after the opening, which is set due to the relative movement of the second underground 5.2 with respect to the first underground 5.1 as a function of the differential speed.
  • a shutdown of the drive is shown in Fig. 8 by the fact that the relevant wheel 4, i.e. the measuring wheel 4a, is not hatched, i.e. is shown in white.
  • the direction of rotation is detected by means of the non-driven measuring wheel 4a, which is not shown as a hatching and the speed of rotation of this measuring wheel 4a, which has driven onto the second substrate 5.2, during its free rotation on the second substrate 5.2.
  • the freely rotating wheel 4 according to FIG. 8 is correspondingly accelerated or decelerated by the moving second substrate 5.2 until the measuring wheel 4a has assumed a direction of rotation and rotational speed that corresponds to the movement of the second substrate 5.2.
  • the direction of rotation and the rotational speed of this measuring wheel 4a set in this way can be detected and evaluated by the control device 3.
  • the relevant measuring wheel 4a then forms a measuring device by means of which the control device 3 can determine the direction of movement and the speed of movement of the second substrate 5.2.
  • the control device 3 can then use the detected and / or specific values for the direction of rotation and rotational speed of the measuring wheel 4a to control this later adapted as wheel 4, although this one wheel 4 is on a different underground, ie the second moving one Subsurface 5.2 is located.
  • the so adapted driven wheel 4 on the second Un ground 5.2 is therefore shown in Fig. 9 in black. This means that this wheel is no longer in an idle state, but is driven by the control device 3, taking into account the direction of movement and the speed of movement of the second substrate 5.2, and thus no longer forms a measuring wheel 4a.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is then driven with three wheels 4 on the first surface 5.1 and one wheel 4 on the second surface 5.2 by driving all four wheels 4 by means of the Steuervor direction 3 in coordinated directions of rotation and rotational speeds of all four wheels 4 as a function of the direction of rotation and speed of rotation detected during the free rotation in the switched-off, non-driven state of the one wheel 4 driven onto the second substrate 5.2, which is shown in black in FIG. 9.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is driven with three wheels 4 on the first surface 5.1 and a single wheel 4 on the second surface 5.2 by driving exclusively the three wheels 4 remaining on the first surface 5.1 by means of the control device 3 in mutually coordinated directions of rotation and rotational speeds of these remaining three wheels 4.
  • FIG. 10 shows how the method described is repeated with the second wheel 4 approaching.
  • the second approaching wheel 4 is not hatched in Fig. 10, i.e. shown in white.
  • the second wheel 4 driven onto the second underground 5.2 now forms the new measuring wheel 4a and can rotate freely in such a way that it assumes a direction of rotation and speed that is different due to the relative movement of the second underground 5.2 with respect to the first underground 5.1 in Depending on the differential speed.
  • Such a disconnection of the drive is shown in Fig. 10 by the fact that the relevant wheel 4, i.e. the measuring wheel 4a, is not hatched, i.e. is shown in white.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is then driven with two wheels 4 on the first surface 5.1 and two wheels 4 on the second surface 5.2 by driving all four wheels 4 by means of the Steuervor direction 3 in coordinated directions of rotation and rotational speeds of all four wheels 4 as a function of the direction of rotation and speed of rotation of the two wheels 4 driven onto the second substrate 5.2, both of which are shown in black in FIG. 11, during the free rotation in the switched-off, non-driven state.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is driven with only a single wheel 4 on the first surface 5.1 and two wheels 4 on the second surface 5.2 by driving both the one remaining on the first surface 5.1 single wheel 4, which is shown hatched in Fig.
  • the two wheels 4 driven on the second surface 5.2 which are shown in black in Fig. 12, by means of the Steuervorrich device 3 in coordinated directions of rotation and Drehge speeds of these three wheels 4 , namely during the He grasp the direction of rotation and the speed of rotation of the wheel 4 driven onto the second underground 5.2, which is shown in white in FIG. 12 and again forms another measuring wheel 4a, during its free rotation on the second underground 5.2.
  • the direction of rotation and the speed of rotation are detected during its free rotation on the second underground 5.2.
  • the direction of rotation and the speed of rotation of the other wheels 4 are regulated by means of the control device 3 in such a way that the omnidirectional wheels vehicle 1 maintains its current or planned orientation, direction of movement, speed of movement and / or acceleration.
  • the omnidirectional wheels vehicle 1 is completely true in terms of its position and orientation solely on the three wheels 4, which are located on the second surface 5.2, and are shown in black in Fig. 7.
  • the fourth wheel 4 can therefore be switched without drive.
  • this fourth wheel 4 has reached the second ground 5.2, as shown in FIG. 8, all four wheels 4 can now be driven again in the same way by the control device 3.
  • the system status according to FIG. 14 then differs in terms of control technically for the control of the four wheels 4 by the STEU er device 3 not from the system state according to Figure 7.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1), das einen Fahrzeugkörper (2) aufweist, an dem mehrere Räder (4) drehbar gelagert sind, von denen wenigstens ein Rad (4) angetrieben ist, wobei die Räder (4) zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs (1) auf einem Untergrund (5.1, 5.2, 5.3) ausgebildet sind, indem die Räder (4) mittels einer Steuervorrichtung (3) in ihren jeweiligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen angesteuert sind. Die Anmeldung betrifft außerdem ein autonomes Fahrzeug (1), insbesondere ein autonomes Omnidirektionalräder-Fahrzeug und ein zugehöriges Computerprogramm produkt.

Description

Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs, autonomes Fahrzeug und Computerprogrammprodukt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines au tonomen Fahrzeugs, das einen Fahrzeugkörper aufweist, an dem mehrere Räder drehbar gelagert sind, von denen wenigstens ein Rad angetrieben ist, wobei die Räder zum Fortbewegen des au tonomen Fahrzeugs auf einem Untergrund ausgebildet sind, in dem die Räder mittels einer Steuervorrichtung in ihren jewei ligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenk stellungen angesteuert sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein autonomes Fahrzeug, insbesondere ein autonomes Omnidirek- tionalräder-Fahrzeug und ein zugehöriges Computerprogrammpro dukt .
Aus der WO 2008/122538 Al ist ein omnidirektionales Fahrzeug bekannt, das omnidirektionale Räder und einen Fahrzeugkörper aufweist, an dem wenigstens eines der omnidirektionalen Räder mittels einer Einzelradaufhängung befestigt ist.
Ein Mecanum-Rad ist beispielsweise aus der EP 1912 799 Bl und aus der EP 2176 075 Bl bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein autonomes Fahrzeug durch eine Steuervorrichtung zum automatischen Antreiben der Räder besonders flexibel und mit hoher Fahrpräzision angesteuert werden kann. Insbesondere soll eine hohe Fahrpräzision auch dann erreicht werden, wenn das autonome Fahrzeug von einem ersten Untergrund auf einen zweiten Untergrund wechselt, wobei eine Relativbewegung zwi schen dem ersten Untergrund und dem zweiten Untergrund be steht. Im Speziellen soll die gegenüber dem ersten Untergrund bestehende Relativbewegungsgeschwindigkeit und Relativbewe gungsrichtung des zweiten Untergrunds automatisch erfassbar sein . Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben ei nes autonomen Fahrzeugs, das einen Fahrzeugkörper aufweist, an dem mehrere Räder drehbar gelagert sind, von denen wenigs tens ein Rad angetrieben ist, wobei die Räder zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs auf einem Untergrund ausgebildet sind, indem die Räder mittels einer Steuervorrichtung in ih ren jeweiligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen angesteuert sind, aufweisend die folgenden Schritte:
- Fahren des autonomen Fahrzeugs auf einem ersten Unter grund durch Ansteuern der Räder mittels der Steuervor richtung in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen, derart, dass sich das autonome Fahrzeug einem zweiten Untergrund annähert, welcher zweite Untergrund sich relativ zum ersten Untergrund mit einer Differenzgeschwindigkeit zum ersten Untergrund bewegt,
- Aufbringen wenigstens eines Messrades des autonomen Fahrzeugs in einer Orientierung des Messrades bezüglich einer zum zweiten Untergrund vertikalen Drehachse des Messrades auf den zweiten Untergrund wenn sich das auto nome Fahrzeug auf dem ersten Untergrund abstützt, der art, dass das Messrad von der Bewegung des zweiten Un tergrunds angetrieben wird,
- Bestimmen eines Bewegungsvektors des zweiten Unter grunds aus einem ersten Winkel und einem zweiten Winkel der wenigstens einen Orientierung des wenigstens einen Messrades, und einer gemessenen ersten Drehgeschwindig keit und einer gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit des wenigstens einen Messrades.
Das autonome Fahrzeug ist zum fahrerlosen Fahren ausgebildet. Dazu weist das autonome Fahrzeug eine Steuervorrichtung auf, die auch als Fahrsteuervorrichtung bezeichnet werden kann.
Die Steuervorrichtung steuert und/oder regelt die Drehrich tungen und die Drehgeschwindigkeiten bzw. ggf. auch die Dreh beschleunigungen der angetriebenen Räder des autonomen Fahr zeugs automatisch. Das autonome Fahrzeug kann neben den ange triebenen Rädern auch antriebslose Räder aufweisen, die ohne von der Steuervorrichtung angesteuert zu werden, nur drehbar am Fahrzeugkörper des autonome Fahrzeugs gelagert sind, ohne mit einer Antriebsvorrichtung verbunden zu sein. Das autonome Fahrzeug kann beispielsweise ein fahrerloses Transportsystem (FTS) sein.
Jedes angetriebene Rad kann eine Nabe oder eine Achse aufwei sen, die mit einem Motor verbunden ist. Insoweit kann jedem einzelnen Rad ein eigener Motor zugeordnet sein. Die Steuer vorrichtung treibt das jeweilige antreibbare Rad dadurch an, dass die Steuervorrichtung den jeweiligen Motor ansteuert und der jeweilige Motor das entsprechende Rad antreibt oder ab bremst.
Die angetriebenen Räder sind regelmäßig um eine Radachse an dem Fahrzeugkörper, insbesondere an einem den Fahrzeugkörper bildenden Fahrwerk drehbar gelagert. Im Falle von omnidirek- tionalen Rädern sind diese abgesehen von ihrer drehbaren La gerung um die Radachse regelmäßig um keine sonstige Achse um- orientierbar oder schwenkbar, d.h. die Räder sind nicht lenkbare Räder. Alternativ kann das autonome Fahrzeug aber auch Lenkräder aufweisen. Um das autonome Fahrzeug mit omni- direktionalen Rädern dennoch navigieren und insbesondere um seine Gierachse drehen zu können, werden die omnidirektiona- len Räder mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten betrie ben. In Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeitsdifferenzen, die auch unterschiedliche Drehrichtungen umfassen können, eines Rades zu einem anderen Rad stellt sich eine resultierende Be wegung des autonomen Fahrzeugs ein. Im speziellen kann das autonome Fahrzeug sich dann auch auf der Stelle um seine ei gene Vertikalachse drehen bzw. wenden. Mit einem Omnidirekti- onalräder-Fahrzeug sind auch geradlinige Bewegungen in Rich tung der Drehachsen der angetriebenen Räder, also ein seitli ches Versetzen des Omnidirektionalräder-Fahrzeugs möglich.
Der Untergrund kann jeglicher Boden, jegliche Fahrbahn oder jegliche Einrichtung sein, auf der das autonome Fahrzeug sich mittels seiner angetriebenen Räder selbständig fortzubewegen vermag. Ein gegenüber der Umgebung (erster Untergrund) sich bewegender Untergrund (zweiter Untergrund) kann beispielswei se ein ebenerdiges Förderband in einer Fließbandfertigung ei ner Fabrik sein.
Die Steuervorrichtung ist ausgebildet, die Motoren, an die jeweils ein angetriebenes Rad angeschlossen sind, hinsicht lich ihrer Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit bzw. Drehbe schleunigung anzusteuern, so dass in Zusammenwirken aller an getriebenen omnidirektionalen Räder sich eine resultierende Bewegungsrichtung, Drehung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des gesamten Omnidirektionalräder-Fahrzeugs einstellt, um ei nen vorgegebenen Bewegungspfad automatisch abfahren zu kön nen, und/oder sich selbststätig an einen bestimmten Ort hin navigieren zu können. Die Ansteuerung der Omnidirektionalrä- der kann vorzugsweise so koordiniert sein, dass alle Omnidi- rektionalräder sich in einem abrollenden, insbesondere schlupffreien Reibungseingriff mit dem Untergrund befinden
Wenn das autonome Fahrzeug kein Omnidirektionalräder-Fahrzeug ist, sondern Lenkräder aufweist, kann die Steuervorrichtung ausgebildet und eingerichtet sein, die jeweiligen Lenkstel lungen der Lenkräder automatisch einzustellen.
In einer ersten grundlegenden Variante der Erfindung kann das wenigstens eine Messrad ein von den Rädern zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs verschiedenes Messrad sein. Insoweit kann das wenigstens eine Messrad zusätzlich zu den Rädern zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs an dem autonomen Fahrzeug vorgesehen sein. Das insoweit nicht antreibbare Messrad kann in einer Ausführungsvariante von einem Rad des autonomen Fahrzeugs gebildet werden, das sich zwar zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs auf einem Untergrund oder einer Fahrbahn abwälzt und somit das Fahrgestell des autonomen Fahrzeugs mitträgt, aber eben nicht zum Antrieb des autonomen Fahrzeugs beiträgt, sondern nur als ein lastaufnehmendes, passives Stützrad dient. In einer anderen Ausführungsvariante kann das Messrad lediglich als eine Art Messfühler ausgebildet sein.
In dieser anderen Ausführungsvariante ist das Messrad weder als ein Antriebsrad noch als ein Stützrad ausbildet, sondern kann unabhängig von dem Eigengewicht des autonomen Fahrzeugs, beispielsweise über einen beweglichen Tragarm, schlupffrei oder schlupfarm gegen den Untergrund d.h. die Fahrbahn ge drückt werden.
In einer zweiten grundlegenden Variante der Erfindung kann das wenigstens eine Messrad wenigstens eines der Räder zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs sein. In dieser Variante weist das autonome Fahrzeug eine redundante Anzahl von Rädern auf. Das autonome Fahrzeug kann insoweit mindestens vier oder mehr Räder zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs aufweisen. In einer Betriebsart als ein Messrad kann das betreffende Rad, das ansonsten in der anderen Betriebsart zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs vorgesehen ist, in der Betriebsart als ein Messrad antriebslos geschaltet sein.
Im Falle eines Lenkrades kann die Orientierung des Messrades insbesondere durch Einlenken des Messrades verändert werden.
Im Falle eines omnidirektionalen Rades, insbesondere eines Mecanum-Rades kann die Orientierung des Messrades verändert werden, indem die Orientierung des autonomen Fahrzeugs geän dert wird. Die vertikale Drehachse benötigt lediglich eine Richtungskom- ponente, welche aus der Ebene des Untergrunds vorspringt. Demgemäß muss die vertikale Drehachse nicht notwendiger Weise genau um 90° d.h. im rechten Winkel aus der Ebene des Unter grunds vorspringend orientiert sein. So kann das betreffende Rad in gewissem Umfang Spur und/oder Sturz aufweisen. Gleich wohl kann die vertikale Drehachse genau um 90° d.h. im rech ten Winkel aus der Ebene des Untergrunds vorspringend orien tiert sein.
Der Bewegungsvektor umfasst die Bewegungsrichtung des zweiten Untergrunds relativ zum ersten Untergrund in der Ebene des zweiten Untergrunds, d.h. insbesondere in einer horizontalen Ebene, und die Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Unter grunds relativ zum ersten Untergrund.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds aus einem ersten Winkel und einem zweiten Winkel der wenigstens einen Orien tierung des wenigstens einen Messrades, und einer gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit und einer gemessenen zweiten Dreh geschwindigkeit des wenigstens einen Messrades.
Dies beinhaltet im Wesentlichen zwei grundlegende Ausfüh rungsformen. In der ersten grundlegenden Ausführungsform kom men zumindest zwei Messräder zum Einsatz. Ein erstes Messrad ist dabei relativ zum zweiten Untergrund in einer ersten Ori entierung angeordnet und ein zweites Messrad ist relativ zum zweiten Untergrund in einer zweiten Orientierung angeordnet. Insoweit sind der erste Winkel der ersten Orientierung des ersten Messrades und der zweite Winkel der zweiten Orientie rung des zweiten Messrades bekannt. In der ersten grundlegen den Ausführungsform wird dann die erste Drehgeschwindigkeit des ersten Messrades in der ersten Orientierung erfasst und die zweite Drehgeschwindigkeit des zweiten Messrades in der zweiten Orientierung erfasst. In einer zweiten grundlegenden Ausführungsform kommt ledig lich ein einzelnes Messrad zum Einsatz. Um zwei unterschied liche Winkel erzeugen zu können, wird das einzelne Messrad aus seiner ersten Orientierung, die dem ersten Winkel ent spricht, umorientiert und zwar in eine zweite Orientierung des einzelnen Messrades, die dem zweiten Winkel entspricht. Demgemäß kann das Verfahren wie folgt weitergebildet sein.
Die Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben eines autono men Fahrzeugs weist die folgenden zusätzlichen Schritte auf:
- Aufbringen eines einzelnen Messrades des autonomen Fahrzeugs in einer ersten Orientierung des einzelnen Messrades bezüglich einer zum zweiten Untergrund verti kalen Drehachse des einzelnen Messrades auf den zweiten Untergrund,
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit des einzelnen Messrades in der ersten Orientierung,
- Umorientieren des einzelnen Messrades aus der ersten Orientierung in eine von der ersten Orientierung ver schiedenen zweiten Orientierung um die zum zweiten Un tergrund vertikalen Drehachse des einzelnen Messrades auf dem zweiten Untergrund wenn sich das autonome Fahr zeug weiterhin auf dem ersten Untergrund abstützt,
- Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit des einzelnen Messrades in der zweiten Orientierung, und
- Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds aus dem Winkel der ersten Orientierung des einzelnen Messrades, der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit des einzelnen Messrades, dem Winkel der zweiten Orientierung des einzelnen Messrades und der gemessenen zweiten Dreh geschwindigkeit des einzelnen Messrades. In der Ausgestaltung dieses Verfahrens kann eine Amplitude A einer Sinuskurve aus dem Winkel 0±w der ersten Orientierung des einzelnen Messrades, der gemessenen ersten Drehgeschwin digkeit V±w des einzelnen Messrades, dem Winkel 0' ±w der zwei- ten Orientierung des einzelnen Messrades und der gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit V'iw des einzelnen Messrades nach der Formel:
Figure imgf000009_0001
berechnet werden, die Bewegungsgeschwindigkeit Vbeit des zweiten Unter grunds aus der Amplitude A, sowie dem Abwälz-Radius r des einzelnen Messrades nach der Formel:
Figure imgf000009_0002
berechnet werden, und der Winkel ©beit der Bewegungsrichtung des zweiten Unter grunds aus der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit V±w des einzelnen Messrades und der Amplitude A über die Winkeldifferenz des Winkels Q' ±w der zweiten Orientie rung des einzelnen Messrades und des Winkels 0±w der ersten Orientierung des einzelnen Messrades nach den Formeln:
0 " iw — sin 1 (V±w / A) 0 " iw - 0iw — d mit d = kommandierter Umorientierungswinkel
©beit = Ui + (90° - 0iw) mit m± = Relativwinkel der Drehachse des Messrades zur Drehachse einer Abwälzrolle des Messrades auf dem zweiten Untergrund berechnet werden.
Zunächst wird generell von einer konstanten Relativgeschwin digkeit zwischen dem ersten Untergrund und dem zweiten Unter- grund ausgegangen, d.h. dies wird vorausgesetzt. Die Relativ geschwindigkeit zwischen dem ersten Untergrund und dem zwei ten Untergrund muss zumindest während eines erfindungsgemäßen Messvorgangs gegeben sein.
Die Sinuskurve stellt sich in einem kartesischen Koordinaten- System ein, wenn auf der Abszissenachse des Koordinatensys tems die Winkel der Orientierung des einzelnen Messrades auf getragen werden und auf der Ordinatenachse die zugeordneten Drehgeschwindigkeiten V±w des einzelnen Messrades aufgetragen werden, die sich in Abhängigkeit der Orientierung des einzel- nen Messrades und der konstanten Relativgeschwindigkeit zwi schen dem ersten Untergrund und dem zweiten Untergrund erge ben.
Die Amplitude definiert insoweit die maximale Drehgeschwin digkeiten Viw des einzelnen Messrades in seiner 90°- Orientierung zum zweiten Untergrund.
Der Abwälzradius ist der halbe Durchmesser der auf dem zwei ten Untergrund abwälzenden Abwälzrolle des Messrades auf axi- aler Höhe des Aufstandspunktes der abwälzenden Rolle auf dem zweiten Untergrund.
Der kommandierte Umorientierungswinkel ist der steuerungssei tig vorzugebenden Winkel, um den das Messrad aus seiner ers ten Orientierung in seine zweite Orientierung umgeschwenkt werden soll, um zwei verschiedene Messwerte in zwei unter schiedlichen Orientierungen des Messrades erhalten zu können.
Der Relativwinkel ist der Winkelunterschied von der Drehachse des Messrades und der Drehachse der auf dem zweiten Unter grund abwälzenden Abwälzrolle. Im Falle des Mecanum-Rades ist die jeweilige Drehachse der jeweils abwälzenden Abwälzrolle in einem Winkel von 45° relativ zur Drehachse des Messrades verschieden orientiert. In diesem Fall beträgt der Relativ winkel 45°.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Be treiben eines autonomen Fahrzeugs weist die folgenden Schrit te auf:
- Aufbringen eines ersten Messrades des autonomen Fahr zeugs in einer ersten Orientierung des ersten Messrades bezüglich einer zum zweiten Untergrund vertikalen Dreh achse des ersten Messrades auf den zweiten Untergrund,
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit des ersten Messrades in der ersten Orientierung,
- Aufbringen eines zweiten Messrades des autonomen Fahr zeugs in einer zweiten Orientierung des zweiten Messra des bezüglich einer zum zweiten Untergrund vertikalen Drehachse des zweiten Messrades auf den zweiten Unter grund,
- Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit des zweiten Messrades in der zweiten Orientierung, und - Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds aus dem Winkel der ersten Orientierung des ersten Mess rades, der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit des ersten Messrades, dem Winkel der zweiten Orientierung des zweiten Messrades und der gemessenen zweiten Drehge schwindigkeit des zweiten Messrades.
Im Fall des weitergebildeten Verfahrens kann die Bewegungsge schwindigkeit Vbeit des zweiten Untergrunds durch Vektoraddi tion aus einer Summengeschwindigkeit Vs,res der ersten Drehge- schwindigkeit Vi,w des ersten Messrades und der zweiten Dreh geschwindigkeit V2,w des zweiten Messrades, sowie dem Abwälz- Radius r des ersten und zweiten Messrades berechnet wird, wo bei im Falle eines ersten Messrades und eines zweiten Messra des jeweils in Bauart eines Mecanum-Rades die Bewegungsge- schwindigkeit Vbeit des zweiten Untergrunds nach der Formel:
Figure imgf000012_0001
berechnet werden, und der Winkel Obeit der Bewegungsrichtung des zweiten Unter grunds aus der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit V±w des einzelnen Messrades und der Amplitude A über die Winkeldifferenz des Winkels Q' iw der zweiten Orientie rung des einzelnen Messrades und des Winkels 0iw der ersten Orientierung des einzelnen Messrades nach den Formeln: q' iw — sin 1 (Viw / A)
Q' iw - 9iw = d mit d = kommandierter Umorientierungswinkel
©beit — Ui + (90° - 0iw) mit m± = Relativwinkel der Drehachse des Messrades zur Drehachse einer Abwälzrolle des Messrades auf dem zweiten Untergrund berechnet werden.
In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs kann das Verfah ren die folgenden Schritte aufweisen:
- Aufbringen eines ersten Messrades des autonomen Fahr- zeugs in einer ersten Orientierung des ersten Messrades bezüglich einer zum zweiten Untergrund vertikalen Dreh achse des ersten Messrades auf den zweiten Untergrund,
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit des ersten Messrades in der ersten Orientierung, - Aufbringen eines zweiten Messrades des autonomen Fahr zeugs in einer zweiten Orientierung des zweiten Messra des bezüglich einer zum zweiten Untergrund vertikalen Drehachse des zweiten Messrades auf den zweiten Unter¬ grund, - Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit des zweiten Messrades in der zweiten Orientierung,
- Aufbringen einer Anzahl n weiterer Messräder des auto nomen Fahrzeugs in n weiteren Orientierungen bezüglich der zum zweiten Untergrund vertikalen Drehachsen der n weiteren Messräder auf den zweiten Untergrund,
- Messen einer entsprechenden Anzahl n weiterer Drehge schwindigkeiten n weiteren Messräder in den n weiteren Orientierungen, und
- Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds aus den Winkeln der Orientierungen der n Messräder und der gemessenen n Drehgeschwindigkeiten der n Messräder.
Im Fall dieses weitergebildeten Verfahrens kann die Bewe gungsgeschwindigkeit Vbeit des zweiten Untergrunds auf Grund- läge der gemessenen n Drehgeschwindigkeiten Vi,w der n Messrä der aus der Jakobi-Matrix J oder deren Pseudoinverse nach der Formel:
V belt = - J+ f '[1,2,...n] , wobei cp '[i,2,...n]die gemessenen Winkelgeschwindigkeiten der n Messräder, insbesondere der n Mecanum-Räder sind und J+ die Pseudoinverse der Jakobimatrix mit
Figure imgf000014_0001
zusammen also
Figure imgf000015_0001
berechnet werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch eine au tonomes Fahrzeug, aufweisend einen Fahrzeugkörper, an dem mehrere Räder drehbar gelagert sind, von denen wenigstens ein Rad angetrieben ist, wobei die Räder zum Fortbewegen des au tonomen Fahrzeugs auf einem Untergrund ausgebildet sind, in dem die Räder mittels einer Steuervorrichtung in ihren jewei ligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenk- Stellungen angesteuert sind, und aufweisend wenigstens ein an dem Fahrzeugkörper gelagertes Messrad, das als ein omnidirek- tionales Rad oder als ein Mecanum-Rad mit einem um die Mess raddrehachse drehbaren Messradkörper und mit an dem Messrad körper über den Umfang verteilt angeordneten antriebslosen Rollen, die im Falle eines omnidirektionalen Rades in einem bauartbedingten Winkel zur Messraddrehachse ausgerichtet sind, und im Falle eines Mecanum-Rades in einem Winkel von 45 Grad zur Messraddrehachse ausgerichtet sind, wobei die an triebslosen Rollen auf dem Untergrund abwälzen, ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, ein Verfah ren, wie nach einer der erfindungsgemäßen Ausführungen be schrieben, auszuführen, wobei das wenigstens eine Messrad un abhängig von den Rädern zum Fortbewegen des autonomen Fahr zeugs ausgebildet ist. Die omnidirektionalen Räder können im Allgemeinen jeweils ei ne Radnabe aufweisen, die um eine Rotationsachse drehbar ist, wobei an wenigstens einem mit der Radnabe verbundenen Radkör- per eine Anzahl von balligen Rollkörpern vorgesehen sind, die gleichmäßig entlang eines Umfangsmantels des Rades verteilt angeordnet sind und mit ihren Rollachsen in einem bauartbe dingten Winkel zur Rotationsachse der Radnabe ausgerichtet sind. Die Rollkörper können beispielsweise an ihren gegen überliegenden Enden bezüglich des Radkörpers frei drehbar ge lagert sein.
Die omnidirektionalen Räder können beispielsweise analog zur US 3,789,947 ausgebildet sein. In dieser Ausführungsart be trägt der bauartbedingte Winkel der Rollachsen der Rollkörper zur Rotationsachse der Radnabe beispielsweise 90°.
Alternativ können die Omnidirektional-Räder beispielsweise als Mecanum-Räder ausgebildet sein und können insbesondere eine Radnabe aufweisen, die um eine Rotationsachse drehbar ist, wobei zwei mit der Radnabe verbundene Radscheiben koaxi al zur Radnabe angeordnet sind und eine Anzahl von balligen Rollkörpern vorgesehen sind, die zwischen den Radscheiben an geordnet, gleichmäßig entlang eines Umfangsmantels des Rades verteilt und mit ihren Rollachsen in einem Diagonalwinkel von 45° zur Rotationsachse der Radnabe ausgerichtet sind. An ih ren gegenüberliegenden Enden sind die Rollkörper frei drehbar bezüglich der Radscheiben gelagert. Die Rollkörper können über zugeordnete Lager direkt an den Innenseiten der Rad scheiben gelagert sein oder an separaten Aufnahmebauteilen gelagert sein, die an den Radscheiben befestigt sind. In die ser Ausführungsart beträgt der bauartbedingte Winkel der Rollachsen der Rollkörper zur Rotationsachse der Radnabe bei spielsweise 45°.
Demgemäß können die Mecanum-Räder beispielsweise gemäß EP 2 176 075 Al oder gemäß EP 1 912 799 Bl ausgebildet sein.
Ein aufeinander abgestimmtes Ansteuern der angetriebenen Rä der kann durch die Steuervorrichtung erfolgen, indem die Steuervorrichtung die Motoren, an die jeweils ein angetriebe nes Rad angeschlossen sind, hinsichtlich ihrer Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit bzw. Drehbeschleunigung steuert, so dass in Zusammenwirken aller angetriebenen omnidirektionalen Räder sich eine resultierende Bewegungsrichtung, Drehung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des gesamten Omnidirektio- nalräder-Fahrzeugs einstellt, um einen vorgegebenen Bewe gungspfad automatisch abfahren zu können, und/oder sich selbststätig an einen bestimmten Ort hin navigieren zu kön nen. Die Ansteuerung der Omnidirektionalräder kann vorzugs weise so koordiniert sein, dass alle Omnidirektionalräder sich in einem abrollenden, insbesondere schlupffreien Rei bungseingriff mit dem Untergrund befinden.
Das autonome Fahrzeug kann insbesondere ein autonomes Omnidi- rektionalräder-Fahrzeug sein, aufweisend einen Fahrzeugkör per, an dem mehrere omnidirektionale Räder oder Mecanum-Räder drehbar und unabhängig voneinander antreibbar gelagert sind, zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs auf einem Untergrund, indem die omnidirektionalen Räder oder Mecanum-Räder mittels einer Steuervorrichtung in ihren jeweiligen Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten angesteuert sind, wobei die omnidi rektionalen Räder oder Mecanum-Räder jeweils einen um die Messraddrehachse drehbaren Messradkörper und an dem Messrad körper über den Umfang verteilt angeordnete antriebslose Rol len aufweisen, die im Falle eines omnidirektionalen Rades in einem bauartbedingten Winkel zur Messraddrehachse ausgerich tet sind, und im Falle eines Mecanum-Rades in einem Winkel von 45 Grad zur Messraddrehachse ausgerichtet sind, wobei die antriebslosen Rollen jeweils auf dem Untergrund abwälzen und wobei eine Lenkbewegung des Omnidirektionalräder-Fahrzeugs durch Differenzen in den Drehrichtungen und Drehgeschwindig keiten der omnidirektionalen Räder oder Mecanum-Räder aus führbar ist, und wobei wenigstens ein Messrad zur Durchfüh rung des Verfahren, wie nach einer der erfindungsgemäßen Aus- führungen beschrieben, durch wenigstens eines der omnidirek- tionalen Räder oder Mecanum-Räder zum Fortbewegen des autono men Fahrzeugs gebildet wird, und die Steuervorrichtung ausge bildet ist, ein Verfahren, wie nach einer der erfindungsgemä ßen Ausführungen beschrieben, auszuführen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt aufweisend einen maschinenlesbaren Träger, auf dem Programmcode gespeichert ist, der von einer Fahrsteuervorrichtung des autonomen Fahrzeugs, wie erfin dungsgemäß beschrieben, oder des autonomen Omnidirektionalrä- der-Fahrzeugs, wie erfindungsgemäß beschrieben, auslesbar ist und der die Fahrsteuervorrichtung ausbildet und/oder einrich tet, ein Verfahren, wie nach einer der erfindungsgemäßen Aus führungen beschrieben, durchzuführen, wenn der Programmcode von der Fahrsteuervorrichtung des autonomen Fahrzeugs, wie erfindungsgemäß beschrieben, oder des autonomen Omnidirektio- nalräder-Fahrzeugs, wie erfindungsgemäß beschrieben, ausge führt wird.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nach folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplari schen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in wel chem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, all gemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines autonomen Fahr zeugs in der beispielhaften Bauart eines Omnidirek- tionalräder-Fahrzeugs mit Mecanum-Rädern, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines kinematischen Modells des Omnidirektionalräder-Fahrzeugs gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaf ten Mecanum-Rades mit einem Relativwinkel von 45° in Alleinstellung,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines beispielhaf ten Omnidirektionalrades anderer Bauart mit einem Relativwinkel von 90°,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Umorientierung ei nes erfindungsgemäßen Messrades auf dem zweiten Un tergrund,
Fig. 6 ein Diagramm der Drehgeschwindigkeit des Messrades über den Winkel der Orientierungen des Messrades auf dem zweiten Untergrund am Beispiel des Mecanum- Rades, und
Fig. 7 bis 14 eine schematische Sequenz eines Auffahrens ei nes Omnidirektionalräder-Fahrzeugs von einem ortsfesten Untergrund auf eine sich in Pfeil richtung bewegende Förderbahn nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren.
Das in Fig. 1 gezeigte beispielhafte autonome Fahrzeug 1 weist einen Fahrzeugkörper 2 auf, an dem mehrere Räder 4 drehbar gelagert sind, von denen wenigstens ein Rad 4 ange trieben ist, wobei die Räder 4 zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs 1 auf einem Untergrund 5.1, 5.2, 5.3 ausgebildet sind. Die Räder 4 sind dazu mittels einer Steuervorrichtung 3 in ihren jeweiligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen angesteuert. Das autonome Fahrzeug 1 weist wenigstens ein an dem Fahrzeugkörper 2 gelagertes Mess rad 4a auf, das beispielsweise wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt als ein Mecanum-Rad 4b (Fig. 3), oder als ein om- nidirektionales Rad 4c (Fig. 4) ausgebildet sein kann. Das Messrad 4a weist mit einem um die Messraddrehachse D drehba ren Messradkörper 7 und mit an dem Messradkörper 7 über den Umfang verteilt angeordneten antriebslosen Rollen 6 auf, die im Falle eines omnidirektionalen Rades 4c (Fig. 4) in einem bauartbedingten Winkel von 90 Grad zur Messraddrehachse D ausgerichtet sind, und im Falle des Mecanum-Rades 4b (Fig. 3) in einem Winkel von 45 Grad zur Messraddrehachse D ausgerich tet sind.
Die antriebslosen Rollen 6 sind jeweils ausgebildet, auf dem Untergrund 5.1, 5.2, 5.3 abzuwälzen. Die Steuervorrichtung 3 ist ausgebildet, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen. Das wenigstens eine Messrad 4a zur Durchführung eines oder mehrerer Ausführungen der erfindungs gemäßen Verfahren, wird im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 durch wenigstens eines der Mecanum-Räder 4b zum Fort bewegen des autonomen Fahrzeugs 1 gebildet. Die Steuervor richtung 3 ist dementsprechend ausgebildet, eines der erfin dungsgemäßen Verfahren auszuführen.
Das grundlegende Verfahren umfasst das Fahren des autonomen Fahrzeugs 1 auf einem ersten Untergrund 5.1 durch Ansteuern der Räder 4 mittels der Steuervorrichtung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen, derart, dass sich das autonome Fahrzeug 1 ei nem zweiten Untergrund 5.2 annähert, welcher zweite Unter grund 5.2 sich relativ zum ersten Untergrund 5.1 mit einer Differenzgeschwindigkeit zum ersten Untergrund 5.1 bewegt. Dies ist insbesondere anhand der Fig. 7 bis Fig. 14 später näher erläutert. Das wenigstens eines Messrad 4a des autonomen Fahrzeugs 1 wird in einer Orientierung des Messrades 4a bezüglich einer zum zweiten Untergrund 5.2 vertikalen Drehachse A (Fig. 1) des Messrades 4a auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgebracht, wenn sich das autonome Fahrzeug 1 auf dem ersten Untergrund 5.1 abstützt, derart, dass das Messrad 4a von der Bewegung des zweiten Untergrunds 5.2 angetrieben wird, wie dies insbe sondere in Fig. 5 und Fig. 8 bis Fig. 10 aufgezeigt ist.
Es erfolgt dann ein Bestimmen eines Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds 5.2 aus einem ersten Winkel Q und einem zweiten Winkel Q' der wenigstens einen Orientierung des we nigstens einen Messrades 4a, und einer gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit und einer gemessenen zweiten Drehge schwindigkeit des wenigstens einen Messrades 4a.
Die Fig. 5 veranschaulicht insbesondere das Aufbringen eines einzelnen Messrades 4a des autonomen Fahrzeugs 1 in einer ersten Orientierung Q des einzelnen Messrades 4a bezüglich einer zum zweiten Untergrund 5.2 vertikalen Drehachse A des einzelnen Messrades 4a auf den zweiten Untergrund 5.2, das Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit V2w des einzelnen Messrades 4a in der ersten Orientierung Q, wie dies in Fig. 5 gestrichelt dargestellt ist.
Anschließend erfolgt ein Umorientieren des einzelnen Messra des 4a aus der ersten Orientierung Q in eine von der ersten Orientierung Q verschiedenen zweiten Orientierung Q' um die zum zweiten Untergrund 5.2 vertikalen Drehachse A des einzel nen Messrades 4a auf dem zweiten Untergrund 5.2 wenn sich das autonome Fahrzeug 1 weiterhin auf dem ersten Untergrund 5.1 abstützt, wie dies in Fig. 5 nicht gestrichelt, d.h. in durchgezogenen Linien dargestellt ist. In dieser zweiten Ori entierung q' erfolgt ein Messen einer zweiten Drehgeschwin digkeit V'2w des einzelnen Messrades 4a in der zweiten Orien tierung q', und anschließend ein Bestimmen des Bewegungsvek- tors des zweiten Untergrunds 5.2 aus dem Winkel der ersten Orientierung Q des einzelnen Messrades 4a, der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit V2w des einzelnen Messrades 4a, dem Winkel der zweiten Orientierung q' des einzelnen Messra des 4a und der gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit V'2w des einzelnen Messrades 4a.
Die Darstellungen der Fig. 7 bis Fig. 14 zeigen jeweils ein Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1, aufweisend einen Fahrzeug körper 2, mit daran drehbar gelagerten, im Falle des vorlie genden Ausführungsbeispiels vier antreibbaren, omnidirektio- nalen Rädern 4, wobei jedes der vier Räder 4 zum Fortbewegen des Omnidirektionalräder-Fahrzeugs 1 auf einem Untergrund 5.1, 5.2, 5.3 ausgebildet ist. Das Omnidirektionalräder- Fahrzeug 1 weist außerdem eine Steuervorrichtung 3 zum indi viduellen Ansteuern der vier Räder 4 in ihren Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten auf. Die Steuervorrichtung 3 ist ausgebildet, eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Verfah ren auszuführen.
Im Folgenden wird das Verfahren anhand eines Omnidirektional räder-Fahrzeugs 1 mit vier angetriebenen omnidirektionalen Rädern 4 veranschaulicht. Alle hierzu erwähnten Beschreibun gen sind im selben Sinne auch für Omnidirektionalräder- Fahrzeuge 1 mit mehr als vier angetriebenen omnidirektionalen Rädern 4 anwendbar. Unabhängig davon, wie viele angetriebene omnidirektionale Räder 4 das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 aufweist, besteht die Grundanforderung, dass stets mindestens drei Räder 4 von der Steuervorrichtung 3 in einem kontrollie rendem, angetriebenen oder abbremsenden Zustand sein müssen, damit die Position und die Orientierung des Omnidirektional räder-Fahrzeugs 1 bestimmt ist. Damit mindestens ein einzel nes Rad 4 antriebslos geschaltet werden kann und dennoch das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 in einem kontrollieren Zu stand bleibt, muss das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 also mindestens vier Räder 4 aufweisen. Im Folgenden wird deshalb die insoweit einfachste Ausführungsform beschrieben. Das er findungsgemäße Verfahren betrifft angetriebene Räder 4 und ist deshalb unabhängig davon, ob das Omnidirektionalräder- Fahrzeug 1 ggf. ein oder mehrere nicht angetriebene zusätzli che Räder 4 aufweist. Derartige Zusatzräder können beispiels weise dann zweckmäßig sein, wenn eine hohe Traglast des Omni- direktionalräder-Fahrzeugs 1 erreicht werden soll, d.h. die Traglast auf möglichst viele Räder 4 verteilt werden soll, aber nur eine geringere Anzahl von Rädern 4 angetrieben aus gebildet sein müssen, um das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 fortbewegen zu können.
Gemäß einem grundliegenden Verfahren erfolgt, wie in Fig. 7 aufgezeigt, zunächst ein Fahren des Omnidirektionalräder- Fahrzeugs 1 mit allen vier angetriebenen Rädern 4 auf einem ersten Untergrund 5.1 durch Ansteuern aller vier Räder 4 mit tels der Steuervorrichtung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten aller vier Räder 4. Der erste Untergrund 5.1 ist im Falle des vorliegenden Aus führungsbeispiels ortsfest, d.h. stillstehend bezüglich der Umgebung. Ein zweiter Untergrund 5.2 weist relativ zum ersten Untergrund 5.1 eine Bewegungsgeschwindigkeit auf, die durch die Pfeile angedeutet ist. Der zweite Untergrund 5.2 kann beispielsweise ein ebenerdiges Förderband in einer Serienpro duktionslinie einer Fabrik sein.
In Fig.7 nähert sich das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 also dem zweiten Untergrund 5.2 an, welcher zweite Untergrund 5.2 sich relativ zum ersten Untergrund 5.1 mit einer insbesondere konstanten Differenzgeschwindigkeit zum ersten Untergrund 5.1 bewegt. Das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 soll möglichst unbeeinflusst durch die Bewegung des zweiten Untergrunds 5.2 über den sich bewegenden zweiten Untergrund 5.2 hinwegfahren, ohne dass von dem geplanten Pfad ungewollt abgewichen wird. Die tatsächliche Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Unter- grunds 5.2 ist der Steuervorrichtung 3 des Omnidirektionalrä- der-Fahrzeugs 1 zunächst unbekannt d.h. nicht vorgegeben.
Wenn alle vier Räder 4 sich noch auf dem ersten Untergrund 5.1 befinden, erfolgt ein automatisches Fahren des Omnidirek- tionalräder-Fahrzeugs 1 mittels der Steuervorrichtung 3 durch ein angetriebenes Ansteuern aller vier Räder 4 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten. Alle vier Räder 4 fahren demgemäß bezüglich eines gemeinsamen Be zugsystems, nämlich dem ersten Untergrund 5.1. Diese Räder 4 sind in ihren angetriebenen Zuständen alle schraffiert darge stellt.
Wenn das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 auf den zweiten Un tergrund 5.2 auffährt, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, erfolgt zunächst ein Ansteuern aller vier Räder 4 mittels der Steuervorrichtung 3 derart, dass eines der vier Räder 4, also höchstens so viele Räder 4 auf den zweiten Untergrund 5.2 auffahren, dass zumindest drei Räder 4 auf dem ersten Unter grund 5.1 verbleiben. Bereits im Zustand der Fig. 7 erfolgt ein Abschalten des angesteuerten Antreibens des auf den zwei ten Untergrund 5.2 aufzufahrenden Rades 4, derart, dass das auf den zweiten Untergrund 5.2 aufzufahrende Rad 4 sich der art frei drehen kann und dadurch ein erfindungsgemäßes Mess rad 4a bildet, so dass es schon während des anschließenden Auffahrens und auch nach dem Auffahren eine Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit annimmt, die sich aufgrund der relativen Bewegung des zweiten Untergrunds 5.2 bezüglich des ersten Un tergrunds 5.1 in Abhängigkeit der Differenzgeschwindigkeit einstellt. Ein solches Abschalten des Antriebs ist in Fig. 8 dadurch aufgezeigt, dass das betreffende Rad 4 d.h. das Mess rad 4a unschraffiert, d.h. in weiß dargestellt ist.
Mittels des nicht angetriebenen, d.h. unschraffiert darge stellten Messrades 4a erfolgt ein Erfassen der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit dieses auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgefahrenen Messrades 4a während seines freien Drehens auf dem zweiten Untergrund 5.2. Das frei drehende Rad 4 gemäß Fig. 8 wird durch den sich bewegenden zweiten Untergrund 5.2 entsprechend beschleunigt oder abgebremst, bis das Messrad 4a eine Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit angenommen hat, die der Bewegung des zweiten Untergrund 5.2 entspricht. Die sich derart eingestellte Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit die ses Messrades 4a kann von der Steuervorrichtung 3 erfasst und ausgewertet werden. Das betreffende Messrad 4a bildet inso weit dann eine Messvorrichtung mittels der die Steuervorrich tung 3 die Bewegungsrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Untergrunds 5.2 feststellen kann. Die Steuervor richtung 3 kann dann mittels der erfassten und/oder bestimm ten Werte für Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Mess rad 4a auch dieses später als Rad 4 angepasst angetrieben an steuern, obwohl sich dieses eine Rad 4 auf einem anderen Un tergrund, d.h. dem bewegten zweiten Untergrund 5.2 befindet.
Das derart angepasst angetriebene Rad 4 auf dem zweiten Un tergrund 5.2 ist in Fig. 9 deshalb in schwarz dargestellt. Dies bedeutet, dass dieses Rad sich nicht mehr in einem an triebslosen Zustand befindet, sondern unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Untergrunds 5.2 von der Steuervorrichtung 3 angetrie ben angesteuert wird und somit kein Messrad 4a mehr bildet.
In Fig. 9 erfolgt dann ein Fahren des Omnidirektionalräder- Fahrzeugs 1 mit drei Rädern 4 auf dem ersten Untergrund 5.1 und einem Rad 4 auf dem zweiten Untergrund 5.2 durch ange triebenes Ansteuern aller vier Räder 4 mittels der Steuervor richtung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten aller vier Räder 4 in Abhängigkeit der während des freien Drehens im abgeschalteten, nichtangetrie- benen Zustand erfassten Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des einen, auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgefahrenen Rades 4, das in Fig. 9 schwarz dargestellt ist. In dem Zustand ge mäß Fig. 9 erfolgt ein Fahren des Omnidirektionalräder- Fahrzeugs 1 mit drei Rädern 4 auf dem ersten Untergrund 5.1 und einem einzigen Rad 4 auf dem zweiten Untergrund 5.2 durch ein angetriebenes Ansteuern ausschließlich der auf dem ersten Untergrund 5.1 verbliebenen drei Räder 4 mittels der Steuer vorrichtung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten dieser verbliebenen drei Räder 4.
In Fig. 10 ist aufgezeigt, wie das beschriebene Verfahren mit dem zweiten auffahrenden Rad 4 wiederholt wird. Das zweite auffahrende Rad 4 ist in Fig. 10 unschraffiert, d.h. in weiß dargestellt. Das auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgefahrene zweite Rad 4 bildet nun das neue Messrad 4a und kann sich derart frei drehen, dass es eine Drehrichtung und Drehge schwindigkeit annimmt, die sich aufgrund der relativen Bewe gung des zweiten Untergrunds 5.2 bezüglich des ersten Unter grunds 5.1 in Abhängigkeit der Differenzgeschwindigkeit ein stellt. Ein solches Abschalten des Antriebs ist in Fig. 10 dadurch aufgezeigt, dass das betreffende Rad 4 d.h. das Mess rad 4a unschraffiert, d.h. in weiß dargestellt ist.
In Fig. 11 erfolgt dann ein Fahren des Omnidirektionalräder- Fahrzeugs 1 mit zwei Rädern 4 auf dem ersten Untergrund 5.1 und zwei Rädern 4 auf dem zweiten Untergrund 5.2 durch ange triebenes Ansteuern aller vier Räder 4 mittels der Steuervor richtung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten aller vier Räder 4 in Abhängigkeit der während des freien Drehens im abgeschalteten, nichtangetrie- benen Zustand erfassten Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der beiden, auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgefahrenen Rä der 4, die in Fig. 11 beide schwarz dargestellt sind. In dem Zustand gemäß Fig. 12 erfolgt ein Fahren des Omnidi- rektionalräder-Fahrzeugs 1 mit lediglich einem einzigen Rad 4 auf dem ersten Untergrund 5.1 und zwei Rädern 4 auf dem zwei ten Untergrund 5.2 durch ein angetriebenes Ansteuern sowohl des auf dem ersten Untergrund 5.1 verbliebenen einzigen Rades 4, das in Fig. 12 schraffiert dargestellt ist, und der beiden auf dem zweiten Untergrund 5.2 angetriebenen Räder 4, die in Fig. 12 schwarz dargestellt sind, mittels der Steuervorrich tung 3 in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen und Drehge schwindigkeiten dieser drei Räder 4, und zwar während des Er fassens der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit des auf den zweiten Untergrund 5.2 aufgefahrenen Rades 4, das in Fig. 12 weiß dargestellt ist und erneut ein anderes Messrad 4a bildet, während seines freien Drehens auf dem zweiten Unter grund 5.2. Für das in Fig. 12 weiß dargestellte Messrad 4a erfolgt ein Erfassen der Drehrichtung und der Drehgeschwin digkeit während seines freien Drehens auf dem zweiten Unter grund 5.2. Dabei erfolgt ein Einregeln der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit der anderen Räder 4 mittels der Steu ervorrichtung 3 derart, dass das Omnidirektionalräder- Fahrzeug 1 seine derzeitige oder geplante Orientierung, Bewe gungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Beschleuni gung beibehält.
In Fig. 13 ist das Omnidirektionalräder-Fahrzeug 1 allein über die drei Räder 4, die sich auf dem zweiten Untergrund 5.2 befinden, und in Fig. 7 schwarz dargestellt sind, hin sichtlich seiner Position und Orientierung vollständig be stimmt. Das vierte Rad 4 kann daher antriebslos geschaltet werden. Wenn dieses vierte Rad 4 auf den zweiten Untergrund 5.2 gelangt ist, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist, können nun wieder alle vier Räder 4 in gleicher Weise durch die Steuervorrichtung 3 angetrieben angesteuert werden. Der Sys temzustand gemäß Fig. 14 unterscheidet sich dann steuerungs- technisch für das Ansteuern der vier Räder 4 durch die Steu ervorrichtung 3 nicht von dem Systemzustand gemäß Fig.7.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1), das einen Fahrzeugkörper (2) aufweist, an dem mehrere Räder (4) drehbar gelagert sind, von denen wenigstens ein Rad (4) angetrieben ist, wobei die Räder (4) zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs (1) auf einem Unter grund (5.1, 5.2, 5.3) ausgebildet sind, indem die Räder (4) mittels einer Steuervorrichtung (3) in ihren jewei ligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstellungen angesteuert sind, aufweisend die folgen den Schritte:
- Fahren des autonomen Fahrzeugs (1) auf einem ersten Untergrund (5.1) durch Ansteuern der Räder (4) mittels der Steuervorrichtung (3) in aufeinander abgestimmten Drehrichtungen, Drehgeschwindigkeiten und/oder Lenkstel lungen, derart, dass sich das autonome Fahrzeug (1) ei nem zweiten Untergrund (5.2) annähert, welcher zweite Untergrund (5.2) sich relativ zum ersten Untergrund (5.1) mit einer Differenzgeschwindigkeit (Vbeit) zum ers ten Untergrund (5.1) bewegt,
- Aufbringen wenigstens eines Messrades (4a) des autono men Fahrzeugs (1) in einer Orientierung (Q) des Messra des (4a) bezüglich einer zum zweiten Untergrund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des Messrades (4a) auf den zweiten Untergrund (5.2) wenn sich das autonome Fahrzeug (1) auf dem ersten Untergrund (5.1) abstützt, derart, dass das Messrad (4a) von der Bewegung des zweiten Un tergrunds (5.2) angetrieben wird,
- Bestimmen eines Bewegungsvektors des zweiten Unter grunds (5.2) aus einem ersten Winkel und einem zweiten Winkel der wenigstens einen Orientierung (Q) des wenigs tens einen Messrades (4a), und einer gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit (V2W) und einer gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit (V'2w)des wenigstens einen Messrades (4a).
2. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 1, aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufbringen eines einzelnen Messrades (4a) des autono men Fahrzeugs (1) in einer ersten Orientierung (Q) des einzelnen Messrades (4a) bezüglich einer zum zweiten Un tergrund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des einzelnen Messrades (4a) auf den zweiten Untergrund (5.2),
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit (V2W) des ein zelnen Messrades (4a) in der ersten Orientierung (Q),
- Umorientieren des einzelnen Messrades (4a) aus der ersten Orientierung (Q) in eine von der ersten Orientie rung (Q) verschiedenen zweiten Orientierung (q') um die zum zweiten Untergrund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des einzelnen Messrades (4a) auf dem zweiten Untergrund (5.2) wenn sich das autonome Fahrzeug (1) weiterhin auf dem ersten Untergrund (5.1) abstützt,
- Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit (V'2w) des einzelnen Messrades (4a) in der zweiten Orientierung (Q'), und
- Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds (5.2) aus dem Winkel der ersten Orientierung (Q) des einzelnen Messrades (4a), der gemessenen ersten Drehge schwindigkeit (V2w) des einzelnen Messrades, dem Winkel der zweiten Orientierung (q') des einzelnen Messrades (4a) und der gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit (V'2w)des einzelnen Messrades (4a).
3. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude (A) einer Sinuskurve aus dem Winkel (0±w) der ersten Orientierung (Q) des einzelnen Messrades (4a), der gemessenen ersten Drehgeschwindigkeit (V±w) des ein zelnen Messrades (4a), dem Winkel (0'iw) der zweiten Orientierung (q') des einzelnen Messrades (4a) und der gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit (V'iw) des ein zelnen Messrades (4a) nach der Formel:
Figure imgf000031_0001
berechnet wird, die Bewegungsgeschwindigkeit Vbeit des zweiten Unter grunds (5.2) aus der Amplitude (A), sowie dem Abwälz- Radius (r) des einzelnen Messrades (4a) nach der Formel: eli
Figure imgf000031_0002
berechnet wird, und der Winkel (0beit) der Bewegungsrichtung des zweiten Un tergrunds (5.2) aus der gemessenen ersten Drehgeschwin digkeit (Viw) des einzelnen Messrades (4a) und der Amplitude (A) über die Winkeldifferenz des Winkels (0'iw) der zweiten Orientierung (q') des einzelnen Mess- rades (4a) und des Winkels (0iw) der ersten Orientierung (0) des einzelnen Messrades (4a) nach den Formeln:
0 "iw — sin 1 (Viw / A)
0 "iW - 0iw = d mit d = kommandierter Umorientierungswinkel
©beit = Ui + (90° - 0iw) mit m± = Relativwinkel der Drehachse des Messrades (4a) zur Drehachse einer Abwälzrolle (6) des Mess rades (4a) auf dem zweiten Untergrund (5.2) berechnet wird.
4. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 1, aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufbringen eines ersten Messrades (4a) des autonomen Fahrzeugs (1) in einer ersten Orientierung (0) des ers- ten Messrades (4a) bezüglich einer zum zweiten Unter grund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des ersten Messra des (4a) auf den zweiten Untergrund (5.2),
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit (Viw) des ers ten Messrades (4a) in der ersten Orientierung (0), - Aufbringen eines zweiten Messrades (4a') des autonomen
Fahrzeugs (1) in einer zweiten Orientierung (q') des zweiten Messrades (4a') bezüglich einer zum zweiten Un tergrund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des zweiten Messrades (4a') auf den zweiten Untergrund (5.2), - Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit (V'iw) des zweiten Messrades (4a') in der zweiten Orientierung
(Q'), und
- Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds (5.2) aus dem Winkel der ersten Orientierung (Q) des ersten Messrades (4a), der gemessenen ersten Drehge schwindigkeit (Viw) des ersten Messrades (4a), dem Win kel der zweiten Orientierung (q') des zweiten Messrades (4a') und der gemessenen zweiten Drehgeschwindigkeit (V iw) des zweiten Messrades (4a').
5. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewe gungsgeschwindigkeit (Vbeit) des zweiten Untergrunds (5.2) durch Vektoraddition aus einer Summengeschwindig- keit (Vs,res) der ersten Drehgeschwindigkeit (Vi,w) des ersten Messrades (4a) und der zweiten Drehgeschwindig keit (V2,w) des zweiten Messrades (4a'), sowie dem Ab- wälz-Radius (r) des ersten und zweiten Messrades (4a, 4a') berechnet wird, wobei im Falle eines ersten Messra- des (4a) und eines zweiten Messrades (4a') jeweils in
Bauart eines Mecanum-Rades (4b) die Bewegungsgeschwin digkeit (Vbeit) des zweiten Untergrunds (5.2) nach der Formel:
Figure imgf000033_0001
, und
Figure imgf000034_0001
, berechnet wird, und der Winkel (0beit) der Bewegungsrichtung des zweiten Un¬ tergrunds (5.2) aus der gemessenen ersten Drehgeschwin- digkeit (Viw) des einzelnen Messrades (4a) und der
Amplitude (A) über die Winkeldifferenz des Winkels (0'iw) der zweiten Orientierung (q') des einzelnen Mess¬ rades (4a) und des Winkels (0iw) der ersten Orientierung (0) des einzelnen Messrades (4a) nach den Formeln: 0 iw = sin1 (Vi / A)
0 "iW - QiW — d mit d = kommandierter Umorientierungswinkel
©beit = Ui + (90° - 0iw) mit m± = Relativwinkel der Drehachse des Messrades (4a) zur Drehachse einer Abwälzrolle (6) des Mess¬ rades (4a) auf dem zweiten Untergrund (5.2) berechnet wird.
6. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 1, aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufbringen eines ersten Messrades (4a) des autonomen Fahrzeugs (1) in einer ersten Orientierung (0) des ers ten Messrades (4a) bezüglich einer zum zweiten Unter- grund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des ersten Messra des (4a) auf den zweiten Untergrund (5.2),
- Messen einer ersten Drehgeschwindigkeit (V±w)des ers ten Messrades (4a) in der ersten Orientierung (Q),
- Aufbringen eines zweiten Messrades (4a') des autonomen Fahrzeugs (1) in einer zweiten Orientierung (q') des zweiten Messrades (4a') bezüglich einer zum zweiten Un tergrund (5.2) vertikalen Drehachse (A) des zweiten Messrades (4a') auf den zweiten Untergrund (5.2),
- Messen einer zweiten Drehgeschwindigkeit (V'iw)des zweiten Messrades (4a') in der zweiten Orientierung (q'),
- Aufbringen einer Anzahl n weiterer Messräder (4a) des autonomen Fahrzeugs (1) in n weiteren Orientierungen be züglich der zum zweiten Untergrund (5.2) vertikalen Drehachsen (A) der n weiteren Messräder (4a) auf den zweiten Untergrund (5.2),
- Messen einer entsprechenden Anzahl n weiterer Drehge schwindigkeiten n weiteren Messräder (4a) in den n wei teren Orientierungen, und
- Bestimmen des Bewegungsvektors des zweiten Untergrunds (5.2) aus den Winkeln der Orientierungen der n Messräder (4a) und der gemessenen n Drehgeschwindigkeiten der n
Messräder (4a).
7. Verfahren zum Betreiben eines autonomen Fahrzeugs (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewe gungsgeschwindigkeit (Vbeit) des zweiten Untergrunds (5.2) auf Grundlage der gemessenen n Drehgeschwindigkei ten (Vi,w) der n Messräder aus der Jakobi-Matrix J oder deren Pseudoinverse nach der Formel:
Figure imgf000036_0001
wobei p '[1,2,...n]die gemessenen Winkelgeschwindigkeiten der n Messräder (4a), insbesondere der n Mecanum-Räder (4b) sind, und J+ die Pseudoinverse der Jakobimatrix mit
Figure imgf000036_0002
berechnet wird.
8. Autonomes Fahrzeug, aufweisend einen Fahrzeugkörper (2), an dem mehrere Räder (4) drehbar gelagert sind, von de nen wenigstens ein Rad (4) angetrieben ist, wobei die Räder (4) zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs (1) auf einem Untergrund (5.1, 5.2, 5.3) ausgebildet sind, indem die Räder (4) mittels einer Steuervorrichtung (3) in ihren jeweiligen Drehrichtungen, Drehgeschwindigkei ten und/oder Lenkstellungen angesteuert sind, und auf weisend wenigstens ein an dem Fahrzeugkörper (2) gela gertes Messrad (4a), das als ein Mecanum-Rad (4b) oder als ein omnidirektionales Rad (4c) mit einem um die Messraddrehachse (D) drehbaren Messradkörper (7) und mit an dem Messradkörper (7) über den Umfang verteilt ange ordneten antriebslosen Rollen (6), die im Falle eines omnidirektionalen Rades (4c) in einem bauartbedingten Winkel zur Messraddrehachse (D) ausgerichtet sind, und im Falle eines Mecanum-Rades (4b) in einem Winkel von 45 Grad zur Messraddrehachse (D) ausgerichtet sind, wobei die antriebslosen Rollen (6) auf dem Untergrund (5.1, 5.2, 5.3) abwälzen, ausgebildet ist, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuervorrichtung (3) ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aus zuführen, wobei das wenigstens eine Messrad (4a) unab hängig von den Rädern (4) zum Fortbewegen des autonomen Fahrzeugs (1) ausgebildet ist.
9. Autonomes Omnidirektionalräder-Fahrzeug, aufweisend ei nen Fahrzeugkörper (2), an dem mehrere omnidirektionale Räder (4b) oder Mecanum-Räder (4a) drehbar und unabhän gig voneinander antreibbar gelagert sind, zum Fortbewe gen des autonomen Fahrzeugs (1) auf einem Untergrund (5.1, 5.2, 5.3), indem die Mecanum-Räder (4a) oder die omnidirektionalen Räder (4c) mittels einer Steuervor richtung (3) in ihren jeweiligen Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten angesteuert sind, wobei die Me canum-Räder (4b) oder die omnidirektionalen Räder (4c) jeweils einen um die Messraddrehachse (D) drehbaren Messradkörper (7) und an dem Messradkörper (7) über den Umfang verteilt angeordnete antriebslose Rollen (6) auf weisen, die im Falle eines omnidirektionalen Rades (4c) in einem bauartbedingten Winkel zur Messraddrehachse (D) ausgerichtet sind, und im Falle eines Mecanum-Rades (4b) in einem Winkel von 45 Grad zur Messraddrehachse (D) ausgerichtet sind, wobei die antriebslosen Rollen (6) jeweils auf dem Untergrund (5.1, 5.2, 5.3) abwälzen und wobei eine Lenkbewegung des Omnidirektionalräder- Fahrzeugs (1) durch Differenzen in den Drehrichtungen und Drehgeschwindigkeiten der Mecanum-Räder (4b) oder der omnidirektionale Räder (4c) ausführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messrad (4a) zur
Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch wenigstens eines der Mecanum-Räder (4b) oder der omnidirektionalen Räder (4c) zum Fortbewegen des au tonomen Fahrzeugs (1) gebildet wird, und die Steuervor richtung (3) ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Computerprogrammprodukt aufweisend einen maschinenlesba ren Träger, auf dem Programmcode gespeichert ist, der von einer Fahrsteuervorrichtung (3) des autonomen Fahr- zeugs (1) gemäß Anspruch 8 oder des autonomen Omnidirek- tionalräder-Fahrzeugs (1) gemäß Anspruch 9 auslesbar ist und der die Fahrsteuervorrichtung (3) ausbildet und/oder einrichtet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn der Programmcode von der Fahrsteu- ervorrichtung (3) des autonomen Fahrzeugs (1) gemäß An spruch 8 oder des autonomen Omnidirektionalräder- Fahrzeugs (1) gemäß Anspruch 9 ausgeführt wird.
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