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Die
Erfindung betrifft ein Navigationssystem, eine Vorrichtung und ein
Navigationsverfahren.
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Roboter,
wie sie zum Beispiel in der Lagerhaltung verwendet werden, Industrieroboter
und Reinigungsroboter müssen
sich in ihrer Umgebung orientieren können, um den Weg von einem
gegebenen Startpunkt zu einem gegebenen Endpunkt finden zu können.
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Eine
Möglichkeit,
einem Roboter die Navigation im Raum, z.B. einem Zimmer oder einer
Halle, zu ermöglich
ist es, den Raum mit Orientierungsmarken zu versehen, so dass sich
der Roboter anhand dieser Orientierungsmarken orientieren kann.
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Beispielsweise
kann die Ausrichtung visuell mittels einer am Roboter angeordneten
Kamera verwirklicht werden, oder durch Detektieren des Erdmagnetfeldes
oder eines künstlichen
Magnetfeldes. Ferner könnte
sich der Roboter an einem elektrischen Feld orientieren.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, den Raum auf dem Boden mit Transpondern auszustatten,
so dass der Roboter Positionsdaten auslesen kann, wenn er über diese
Transponder hinwegfährt,
und seine eigene Fahrtrichtung bestimmen kann. Zum Beispiel kann
dieser Raum mit Kacheln ausgelegt sein, die Transponder aufweisen.
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Die
Navigation von Robotern, die zur Orientierung im Boden angeordnete
Transponder verwenden, ist jedoch durch ein Problem geprägt. Der
Richtungsvektor des Roboters und die Orientierung, d.h. die Ausrichtung,
des Transpondersystems, d.h. einem Koordinatensystem das aus einer
Mehrzahl von Transpondern aufgebaut ist, im Boden sind unkorreliert.
Ein Abgleich, der nötig
ist, damit sich der Roboter entlang der Koordinaten-Achsen des durch
Transponder gebildeten Koordinatensystems bewegt, kann nur durch
Auswertung vieler aufeinander folgender Tags erfolgen. Das kann
zu Schwingungsneigung des Regelsystems der Roboternavigation führen. Gerade
in kleinen Räumen
führt dies
zu unbefriedigenden Ergebnissen bei der Navigation.
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Um
dieses Problem zu lösen,
erfolgt das Ausregeln bisher, wenn überhaupt, über viele Transponder hinweg.
Dazu müssen
viele Transponder ausgelesen werden. Die Informationen werden in
die Richtungsbestimmung einbezogen und ein Richtungsvektor der Bewegung
des Roboters, d.h. der Kurs des Roboters, wird geschätzt. Je
mehr Transponder ausgelesen werden, desto genauer kann der Vektor
bestimmt werden, wobei jedoch in diesem Fall von dem Roboter eine
große
Wegstrecke zurückgelegt
werden muss, um die entsprechende Anzahl an Transpondern auslesen
zu können.
Ein engermaschiges Netz von Transpondern ist oft nicht möglich, da
mit der Anzahl der Transponder auch die Kosten für das Transponder-Netzwerk
steigen.
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Der
Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein zuverlässiges und
kostengünstiges
Navigationssystem für
Roboter zu schaffen, das eine Positions- und Ausrichtungsbestimmung
erlaubt und eine Fahrt des Roboters auf ein vorgegebenes Ziel erlaubt.
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Das
Problem wird durch ein Navigationssystem, eine Vorrichtung und ein
Navigationsverfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Ein
Navigationssystem weist ein matrixförmiges Netz von Ortsmarken,
die eine räumliche
Position angeben, und eine Navigationseinheit auf. Hierbei weist
die Navigationseinheit ein Lesegerät zum Lesen der mittels der
Ortsmarken angegebenen Positionen, eine Ausrichtungs-Messvorrichtung
zum Bestimmen der Ausrichtung, und eine Recheneinheit zum Berechnen
von Fahrinformationen aus den ausgelesenen Informationen und der
Ausrichtung auf.
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Eine
Vorrichtung weist eine Motor- und Lenkeinrichtung, eine Navigationseinheit
des Navigationssystems, und eine Fortbewegungsmittel-Steuerungseinheit
auf, wobei die Motor- und
Lenkeinrichtung von der Fortbewegungsmittel-Steuerungseinheit mittels der von der
Navigationseinheit berechneten Fahrinformation gesteuert wird.
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Ein
Navigationsverfahren, weist die Schritte Detektieren einer Ortsmarke,
Auslesen der von der Ortsmarke angegebenen Information, Bestimmen
der räumlichen
Ausrichtung, und Berechnen einer Richtungsinformation auf eine vorgegebene
Position zu, auf.
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Anschaulich
kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass für ein Navigationssystem, das
ein Netz von Ortsmarken und eine Navigationseinheit aufweist, mit
dessen Hilfe die Fahrt eines Roboters auf ein vorgegebenes Ziel
zu gesteuert werden kann, die Berechnung der notwendigen Richtung
beschleunigt wird, indem die Ausrichtung des Roboters von einer
Ausrichtungs-Messvorrichtung vorgenommen wird. Beispielsweise kann
das Ortsmarkennetz aus einer Mehrzahl von Funktranspondern bestehen,
die matrixförmig angeordnet
sind, wobei die Ortsinformationen der Funktransponder ausgelesen
werden, wenn der Roboter mit der darauf montierten Navigationseinheit über den
Funktransponder fährt,
und wobei die Ausrichtung des Roboters mittels eines Kompasses festgestellt
wird. Somit kann die aktuelle Position aus der Detektion eines der Transponder
festgestellt werden und die Ausrichtung des Roboters kann parallel
dazu mittels des Kompasses festgestellt werden. Daher sind die Informationen,
die zum Festlegen eines "Kurses" des Roboters notwendig sind,
vollständig
vorhanden, sobald der Roboter mit dem darauf montierten Navigationssystem über nur
eine einzige Ortsmarke gefahren ist.
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Allgemein
sind Ortsmarken derart eingerichtet, dass sie mittels optischer
(z.B. bei Markierungen an Wänden
und/oder auf dem Boden und/oder an der Decke), akustischer (z.B.
Ultraschall), oder elektromagnetischer Vorrichtungen (z.B. Sender,
die permanent ein elektromagnetisches Signal abstrahlen) detektiert
werden können.
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Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist das Navigationssystem, Transponder
auf, die als Ortsmarken vorgesehen sind. Als Transponder werden
allgemein Vorrichtungen verstanden, die auf ein empfangenes Signal
hin eine gespeicherte Information zum Beispiel mittels Radiowellen
abstrahlen.
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Besonders
vorteilhaft ist in jedem Transponder eine eindeutige Identifikationsnummer
gespeichert, und die Navigationseinheit weist eine Datenbank auf,
die jeder Identifikationsnummer die Position des Transponders und
die Ausrichtung bezüglich
einer festgelegten Hauptrichtung des Transponder-Netzes zuordnet. Somit
können
die Kosten für
das Ortsmarken-Netzwerk reduziert werden, da diese Transponder nicht
selbst die Ortsinformation speichern können müssen und somit einfachere Transponder
verwendet werden können, die
mittels einer eindeutigen Seriennummer identifizierbar sind. Hierbei
kann zum Bestimmen der Ortsinformation die Seriennummer eines Transponders
ausgelesen werden und die Ortsinformation aus einer Datenbank ermittelt
werden, in der jedem Transponder die Ortsinformation zugeordnet
ist. Dazu ist es notwendig, dass nach dem Verlegen der Transponder
deren Position festgestellt wird und die Position jedes Transponders
mit der jeweiligen Seriennummer verknüpft wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist in jedem Transponder die Ausrichtung
des Transponders bezüglich
einer festgelegten Hauptrichtung des Transponder-Netzes gespeichert,
wobei insbesondere die festgelegte Hauptrichtung die Richtung des
magnetischen Nordpols ist und die Ausrichtungs-Messvorrichtung ein
Kompass ist. Anschaulich liegt der Vorteil dieser Ausgestaltung
darin, dass für
ein Gebäude
mit einer Vielzahl von Räumen
in jedem einzelnen Raum ein eigenes Netzwerk von Transpondern verlegt
ist, wobei diese Netzwerke weder eine definierte Ausrichtung zu
dem Erdmagnetfeld besitzen, noch diese Mehrzahl von Netzwerken untereinander
definierte Ausrichtungen besitzen. Somit ist es wichtig, dass die
Vorrichtung, die diese Navigationseinheit anwendet, die relative
Ausrichtung zwischen zum Beispiel dem Erdmagnetfeld, das mittels eines
Kompasses detektiert wird, und dem Transpondernetzwerk bestimmen
kann. Somit kann eine größere Flexibilität des Navigationssystems
erreicht werden, indem die Vorrichtung ohne weitere Konfiguration
in diesen Räumen
verwendet werden kann.
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Insbesondere
können
RFID (radio frequency identification, Funkerkennung)-Transponder
verwendet werden, die eine besonders bevorzugte Form von Funktranspondern
sind. RFID-Transponder
sind besonders geeignet zum sichtlosen und berührungslosen Auslesen von Informationen.
Ferner sind sie kostengünstig
herzustellen. Außerdem
können
sie auf einfache Weise z.B. unter oder in einem Teppich oder in
Bodenpaneelen angeordnet werden, um so ein Netzwerk von Ortsmarken
zu bilden.
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Besonders
bevorzugt ist die Vorrichtung ein Roboter. Ein Roboter ist allgemein
eine Vorrichtung, die eine Aufgabe autonom erfüllt. Insbesondere ist ein Roboter
in diesem Zusammenhang eine selbstfahrende Vorrichtung, z.B. zum
Durchführen
von Reinigungs-, Lagerungs- und Auslieferungsaufgaben.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Wegstrecken-Messvorrichtung auf.
Die Wegstrecken-Messvorrichtung
dient zum Messen der von der Vorrichtung zurückgelegten Distanz. Die zurückgelegte
Distanz kann von der Fortbewegungsmittel-Steuerungseinheit beim
Steuern des Fahrwerks der Vorrichtung berücksichtigt werden. Beispielsweise
kann eine zurückzulegende
Strecke mittels der Wegstrecken-Messvorrichtung überwacht werden. Beispielsweise
wird nur derjenige Transponder als Zieltransponder akzeptiert, der
in einer im Voraus berechneten Entfernung von dem Transponder am
Startpunkt der Fahrt angeordnet ist.
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Ferner
ermöglicht
es die Wegstrecken-Messvorrichtung, Fahrtinformationen in der Form
von Anweisungen wie zum Beispiel "geradeaus, 5 Meter" zu geben. Somit sind auch Positionen
präzise
erreichbar, an denen kein Transponder angeordnet ist. Folglich kann
die Präzision
gesteigert werden und die Fehleranfälligkeit verringert werden.
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Die
oben genannten Weiterbildungen des Navigationssystems und der Vorrichtung,
die eine Navigationseinheit eines entsprechenden Navigationssystems
aufweist, gelten in gleicher Weise auch für das Navigationsverfahren,
das auf der Navigationseinheit durchgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren
näher erläutert.
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1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 stellt
ein beispielhaftes Prozessorelement dar.
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3 zeigt
schematisch einen Roboter.
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4 zeigt
Informationen zum Berechnen der aktuellen Fahrinformation für den Roboter.
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Die
beschriebenen Figuren dienen nur zur Erklärung der Erfindung und stellen
insbesondere keine maßstabsgetreuen
Abbildungen des Gegenstands der Erfindung dar.
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In
allen Figuren sind, wo es angebracht ist, gleiche oder identische
Bestandteile der Figuren mit dem jeweils gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1 ist
eine Netzwerk aus einer Mehrzahl von matrixförmig angeordneten Prozessorelementen 100 dargestellt.
Ferner ist ein Roboter 200 dargestellt, der sich zwischen
diesen Prozessorelementen 100 befindet. Die Spalten und
Zeilen der Matrix, in der die Prozessorelemente 100 angeordnet
sind, definieren ein Bezugssystem, wobei die Richtung der Spalten
der "x"-Richtung 110 entspricht
und die Richtung der Zeilen der "y"-Richtung 120.
Die x- und y-Richtungen
sind senkrecht zueinander orientiert. Wie in 1 gezeigt,
liegt der Ursprung dieses Bezugssystems in dem Prozessorelement 100,
das in 1 links oben gezeigt ist. Der Pfeil der x-Richtung 110 zeigt
daher in 1 von oben nach unten und der
Pfeil der y-Richtung 120 zeigt in 1 von links
nach rechts mit jeweils ansteigenden Werten. Somit wird ein Bezugssystem
geschaffen, mit dem jeder Punkt eines zweidimensionalen Raums eindeutig
mittels einer entsprechenden Koordinatenangabe (x, y) bezeichnet
werden kann.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Prozessorelemente 100 in einer Halle
oder einem Zimmer auf dem Boden angeordnet. Die Position von Hindernissen
und Zielobjekten für
den Roboter 200 können
mit Hilfe dieses Koordinatensystems genau bezeichnet werden. Typischerweise
besteht die Aufgabe eines Roboters 200 darin, von einem
Startpunkt zu einem Objekt, z.B. einer Palette, zu fahren, die Palette
aufzunehmen und anschließend
mit der Palette zu einem Endpunkt zu fahren und dort die Palette
abzustellen. Dabei soll sich der Roboter auf einem vorgegebenen
Weg bewegen, um nicht mit Hindernissen zusammenzustoßen. Eine andere
Aufgabe des Roboters 200 könnte sein, autonom Reinigungsarbeiten
am Boden vorzunehmen, wobei vorgegebene Bereiche nicht befahren
werden dürfen.
Diese "verbotenen" Bereiche sind mittels
entsprechender Koordinatenangaben gekennzeichnet.
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Wie
in 1 gezeigt, weist der Roboter 200 gegenüber dem
durch das Netzwerk aus Prozessorelementen 100 vorgegebenen
Koordinatensystem eine Anfangs-Orientierung auf, die im Allgemeinen
unbekannt ist, und die durch den Winkel α 130, der als Ausrichtungswinkel
bezeichnet wird, dargestellt ist. Das heißt, die Orientierungsachse
des Roboters 200 weist gegenüber einer Bezugsachse des Netzwerkes
den Ausrichtungswinkel α 130 auf.
Beispielhaft ist in 1 die x-Achse 110 des
Netzwerkes als Bezugsachse ausgewählt. Der Ausrichtungswinkel α 130 kann
anschaulich auch als der "Kurs" des Roboters 200 bezeichnet
werden, der in diesem Beispiel 0° ist,
wenn der Roboter nach oben fährt,
90°, wenn
er nach rechts fährt,
180°, wenn
er nach unten fährt,
und 270°,
wenn er nach links fährt.
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2 stellt
ein beispielhaftes Prozessorelement dar.
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Wie
in 2 gezeigt, weist ein Prozessorelement 100,
das beispielhaft für
die in 1 gezeigten Prozessorelemente ist, eine Steuereinheit 101,
eine Speichervorrichtung 102 und eine Antenne 103 auf,
die auf einem Substrat angeordnet sind. Das Prozessorelement 100 kann
ferner eine nicht dargestellte Batterie aufweisen.
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Die
Steuereinheit 101 kann ein Mikrocontroller oder ähnliches
sein, und ist zum Steuern des Prozessorelements 100 eingerichtet.
Insbesondere liest die Steuereinheit 101 aus der Speichervorrichtung 102 Informationen
aus und gibt sie mittels der Antenne 103 aus, wenn mittels
der Antenne 103 ein Lesesignal des Roboters 200 empfangen
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist das Prozessorelement 100 ein RFID-Transponder, wobei
die Energie zum Auslesen und Ausgeben der in dem Transponder gespeicherten
Informationen aus dem Lesesignal des Roboters 200 gewonnen
wird.
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Die
Speichervorrichtung 102 weist Ortskoordinaten des Prozessorelements 100 auf.
Die Ortskoordinaten des Prozessorelements 100 können x-
und y-Koordinaten bezüglich
des in 1 gezeigten Bezugssystems sein und die Nummer
des Raums, in dem das Prozessorelemente-Netzwerk angeordnet ist,
so dass die Position eines jeden Prozessorelements 100 eindeutig
gekennzeichnet ist. Die Nummer des Raums kann Informationen zum
Stockwerk und/oder zum Gebäude
aufweisen. Somit wird erreicht, dass sich ein Roboter 200 auch
auf der gesamten Fläche
eines großen
Geländes
mit mehreren Gebäuden,
die jeweils mehrere Stockwerke mit mehreren Räumen aufweisen, orientieren
kann. Alternativ kann in der Speichervorrichtung 102 eine individuelle
Seriennummer des jeweiligen Prozessorelements 100 gespeichert
sein, wobei eine Datenbank vorgesehen ist, die mittels der Seriennummer
jedem Prozessorelement 100 die genaue Position zuordnet. Zum
Erstellen der Datenbank muss in diesem Fall die Seriennummer jedes
Prozessorelements 100 einmal nach dem Verlegen der Prozessorelemente
ausgelesen werden und die Seriennummer der Position des entsprechenden
Prozessorelements 100 in einer Datenbank gespeichert werden.
Auf einen Schreibprozess nach dem Verlegen der Prozessorelemente
zum Speichern der Ortskoordinaten in den Prozessorelementen 100 kann
folglich verzichtet werden.
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3 zeigt
schematisch einen Roboter.
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Der
Roboter 200 weist eine Motor- und Lenkeinrichtung 210 und
eine Navigationseinheit 250 auf, wobei die Motor- und Lenkeinrichtung 210 zum
Bewegen des Roboters auf einem vorgebbaren Pfad eingerichtet ist.
Anschaulich erlaubt die Motor- und Lenkeinrichtung 210 das
Vorwärts-
und Rückwärtsfahren
des Roboters 200 und ein Drehen des Roboters 200,
so dass der Roboter 200 auf einen vorgebbaren Zielpunkt
hin bewegt werden kann.
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Die
Navigationseinheit 250 ermöglicht eine Orientierung des
Roboters 200 im Raum und steuert die Motor- und Lenkeinrichtung 210 entsprechend
zum Erreichen eines vorgegebenen Zielpunkts.
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Die
Navigationseinheit 250 weist eine Empfangs- und Sendevorrichtung 251,
eine Ausrichtungs-Messvorrichtung 252, eine Recheneinheit 253 und
eine Steuerungseinheit 254 auf.
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Die
Empfangs- und Sendevorrichtung 251 ist zum Auslesen von
Informationen, die in den Prozessorelementen 100 gespeichert
sind, eingerichtet. Insbesondere besteht die Empfangs- und Sendevorrichtung 251 im
Wesentlichen aus einer Antenne zum Aussenden eines Lesesignals und
zum Empfangen der von dem Prozessorelement 100 ausgesendeten
Informationen.
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Die
Ausrichtungs-Messvorrichtung 252 dient zum Erkennen der
Ausrichtung des Roboters 200, d.h. zum Messen des Ausrichtungswinkels α 130 bzw.
des Kurs des Roboters 200 bezüglich einer vorgegebenen Hauptrichtung
des Bezugssystems. Die Ausrichtungs-Messvorrichtung 252 kann
ein Kompass sein, wobei die Hauptrichtung des Bezugssystems die
Richtung des magnetischen Nordpols ist. Alternativ kann ein Bezugssystem
auch durch künstliche
elektrische, elektro-magnetische oder magnetische Felder oder durch
Schallwellen, wie z.B. Ultraschall, erzeugt werden, wobei die Ausrichtungs-Messvorrichtung 252 entsprechende
Sensoren aufweist. Alternativ können
auf dem Boden oder an den Wänden
optisch detektierbare Symbole angeordnet sein, wobei die Ausrichtungs-Messvorrichtung 252 einen
optischen Sensor, d.h. eine Kamera aufweist. Anschaulich ist dieses
System mit bekannten Funkfeuern vergleichbar.
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Die
Recheneinheit 253 weist einen Mikroprozessor und eventuell
ein nicht dargestelltes Speicherelement auf. Die Recheneinheit 253 ist
mit der Empfangs- und Sendevorrichtung 251 gekoppelt und
empfängt
die von der Empfangs- und Sendevorrichtung 251 ausgelesenen
Informationen der Transponder, d.h. der Prozessorelemente 100.
Ferner ist die Recheneinheit 253 mit der Ausrichtungs-Messvorrichtung 252 gekoppelt,
um den Ausrichtungswinkel α 130 zu
empfangen. Aus dem gemessenen Ausrichtungswinkel α 130 des
Roboters 200 und den Ortskoordinaten des Prozessorelements 100,
die beim Fahren des Roboters 200 über das Prozessorelement 100 mittels
der Empfangs- und Sendevorrichtung 251 ausgelesen werden,
berechnet die Recheneinheit 253 den Kurs, den der Roboter 200 zu
einem vorgegebenen Zielpunkt zu fahren hat.
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Im
Allgemeinen wird der Roboter jedoch nicht den direkten geraden Weg
zu dem Zielpunkt fahren können,
da sich auf dem Weg Hindernisse befinden. In diesem Fall berechnet
die Recheneinheit 253 einen Pfad, der innerhalb eines vorgegebenen
Korridors liegt, d.h. der sich an vorgegebenen Fahrwegen im Raum
orientiert. Aus den bekannten Ortskoordinaten des Startpunkts und
des Zielpunkts kann die Recheneinheit 253 ferner die zurückzulegende
Strecke berechnen, die als Kontrolle der gefahrenen Strecke dienen
kann.
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Die
Recheneinheit 253 ist ferner mit der Steuereinheit 254 gekoppelt,
und gibt Informationen über
den berechneten Pfad an diese aus.
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Die
Steuereinheit 254 empfängt
die von der Recheneinheit 253 berechneten Pfadinformationen
und steuert die Motor- und Lenkeinrichtung 210 so, dass
der Roboter 200 dem berechneten Pfad folgt und somit auf
diesem Weg den Zielpunkt erreicht.
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Ferner
ist die Recheneinheit 253 mit einer Wegstrecken-Messvorrichtung 220 gekoppelt
ist, die die von dem Roboter 200 zurückgelegte Strecke misst. Damit
kann die Recheneinheit 253 feststellen, ob der Zielpunkt
erreicht ist.
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Diese
Information dient einerseits zur Kontrolle der Position des Roboters 200,
wobei in dem Fall, dass sich der Roboter 200 von Prozessorelement 100 zu
Prozessorelement 100 bewegt und nach einer vorher berechneten
Wegstrecke ein vorbestimmtes Prozessorelement 100 nicht
erreicht ist, eine Fehler festgestellt wird. Falls ein Fehler festgestellt
wird, kann ein Alarm ausgegeben werden, der Roboter 200 angehalten
werden oder automatisch eine Neukalibrierung der aktuellen Position
und Orientierung, wie sie nachstehend beschreiben wird, durchgeführt werden.
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Andererseits
ermöglicht
eine vorher berechnete Wegstrecke die präzise Ansteuerung des Zielpunkts durch
den Roboter 200, auch wenn an genau diesem Punkt kein Prozessorelement 100 angeordnet
ist. Damit wird erreicht, dass das Netzwerk aus Prozessorelementen 100 einen
großen
Maschenabstand aufweisen kann, was die Anzahl von Prozessorelementen 100 auf
einer vorgegebenen Fläche
verringert und Kosten reduziert.
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Gemäß dem Navigationsverfahren
wird in einem ersten Schritt, wenn die aktuelle Position des Roboters 200 im
Allgemeinen noch unbekannt ist, der Roboter 200 entsprechend
gesteuert, um geradeaus zu fahren, bis ein Transpondersignal eines
Transponders 100 detektiert wird. Während des Betriebs des Roboters 200 wird
von dem Roboter, d.h. der Empfangs- und Sendevorrichtung 251,
permanent ein Lesesignal ausgesendet. Wenn der Roboter 200 in
Antwort auf ein Lesesignal ein Transpondersignal empfängt, werden
aus dem Transpondersignal die in dem Transponder 100 gespeicherten
Informationen ausgelesen. Wie mit Bezugnahme auf 2 erklärt ist,
enthalten diese Informationen Ortsinformationen des Transponders 100,
oder die Ortsinformationen können
aus den ausgelesenen Informationen mittels einer in der Navigationseinheit 250 vorgespeicherten
Datenbank bestimmt werden. Diese Ortsinformationen entsprechen auch
der aktuellen Position des Roboters 200. Außerdem wird
mittels der Ausrichtungs-Messvorrichtung 252, z.B. des
Kompasses, die Ausrichtung des Roboters 200 bestimmt. Aus
den bekannten aktuellen Orts- und Ausrichtungsinformationen werden
von der Recheneinheit 253 aktuelle Fahrinformationen für den Roboter 200 berechnet.
Mittels der Steuereinheit 254 kann der Roboter 200 so
gesteuert werden, dass sich der Roboter 200 zu einem vorgegebenen
Zielpunkt bewegt.
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Anhand
von 4 werden Rechenschritte zum Berechnen der aktuellen
Fahrinformation für
den Roboter erklärt.
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4 zeigt
den allgemeinen Fall, dass das durch das Transpondernetz definierte
Bezugssystem nicht mit der Hauptrichtung 300 übereinstimmt.
Das ist insbesondere relevant, wenn eine Mehrzahl von Transpondernetzen
in verschiedenen Räumen
eines Gebäudes
angeordnet sind und als Hauptrichtung 300 jeweils die Richtung
des magnetischen Nordpols verwendet wird. Ferner muss bei der Verlegung
der Prozessorelemente 100 die Richtung des magnetischen
Nordpols nicht berücksichtigt
werden, wodurch die Verlegung vereinfacht wird.
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Daher
ist ein Transpondernetz, das dem in 1 gezeigten
entspricht, gedreht dargestellt. Beispielsweise beträgt in 1 der
Winkel zwischen der Achse 300 in Richtung des magnetischen
Nordpols, die einen Winkel von 0° definiert,
und der x-Achse 110 des Bezugssystems des Transpondernetzes
etwa 45°.
Der Koordinatenursprung dieses Bezugssystems liegt in dem obersten
Transponder 100a des Transpondernetzes, so dass dieser
Transponder 100a die Koordinaten (0,0) aufweist. Dieser
Transponder 100a wird als Ursprungs-Prozessorelement bezeichnet.
Koordinaten werden in der Schreibweise (x-Achsenabschnitt, y-Achsenabschnitt)
dargestellt. Der Roboter 200 befindet sich an einem Startpunkt,
der mit dem Transponder 100b übereinstimmt, der in 5 ganz unten dargestellt ist. Die Koordinaten
dieses Transponders 100b, d.h. die Startkoordinaten, sind
(2,2). Der Transponder 100b wird als Startpunkt-Prozessorelement
bezeichnet. Der Zielpunkt weist die Koordinaten (0,1) auf. Entsprechend
befindet sich der Zielpunkt bei dem Zielpunkt-Prozessorelement 100c. Die
Anfangsausrichtung des Roboters, die mittels des Roboterausrichtungswinkels 301 dargestellt
ist, beträgt
90°, d.h.
der Roboter ist nach rechts gedreht.
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Der
Kurs 302, d.h. die Zielausrichtung des Roboters, die in
gerader Linie zu dem Zielpunkt-Prozessorelement 100c führt, wird
von der Recheneinheit 253 berechnet durch Kurs
= Ausrichtung des Bezugssystems – Richtung des Zielpunkts,wobei
die
Ausrichtung des Bezugssystems, den Winkel zwischen der Achse der
Hauptrichtung 300 und der x-Richtung 110 des Transpondernetzes
angibt, und
die Richtung des Zielpunkts 100c, den
Winkel zwischen der x-Richtung 110 des
Transpondernetzes und der Richtung der Verbindungslinie 303 zwischen
dem Startpunkt 100b und dem Zielpunkt 100c angibt.
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Insbesondere
gilt daher in diesem Beispiel:
y
Start,
y
Ziel, x
Start und
x
Ziel bezeichnen jeweils die x- bzw. y-Komponenten des Startpunkts
100b und
des Zielpunkts
100c.
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In
dem Beispiel ergibt sich daraus ein Kurs 302 von 28°, bzw. der
Roboter 200 muss eine Drehung von 62° (90°–28°) im Gegenuhrzeigersinn durchführen, um
zum Zielpunkt 100c fahren zu können, wobei in diesem Beispiel
vorausgesetzt ist, dass die Abstände
zwischen benachbarten Prozessorelementen einer Spalte und benachbarten
Prozessorelementen einer Zeile der Matrix der Prozessorelemente
gleich sind.
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Die
Entfernung zum Zielpunkt 100c kann hier mit dem Satz von
Pythagoras einfach berechnet werden, woraus sich eine zurückzulegende
Wegstrecke von √5× Längeneinheit
ergibt. Die Längeneinheit
entspricht dem Abstand zwischen zwei benachbarten Transponderelementen 100.
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Diese
Berechnung wird während
der Fahrt des Roboters 200 wiederholt durchgeführt. Beispielsweise wird
die Berechnung für
jeden Teilabschnitt des Pfades zum Ziel durchgeführt, wenn der Roboter 200 sich
nicht auf geradem Wege dorthin bewegen kann. Alternativ wird immer
nur der Weg von einem Prozessorelement 200 zu dem benachbarten
Prozessorelement 200 berechnet, bis der Zielpunkt 100c erreicht
ist.
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Es
ist daher ein besonderer Vorteil dieses Navigationssystems für Roboter,
dass eine Position und Orientierung des Roboters bestimmt werden
kann, sobald von der Navigationseinheit ein einziges Transpondersignal
empfangen worden ist und die Ortskoordinaten des entsprechenden
Transponders ausgelesen werden können,
da die Ausrichtung des Roboters mittels eines Kompasses bestimmbar
ist. Daraus folgt, dass die Positionsbestimmung umso schneller und
präziser
erfolgt, je dichter das Netzwerk aus Transpondern 100 angeordnet
ist. Da jedoch die Kosten dieses Netzwerks mit der Anzahl der Transponder 100 steigt,
muss ein Kompromiss gemacht werden, der der Anwendung gerecht wird.
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Der
Roboter 200 ist ferner eingerichtet, dass er sich anfangs,
wenn die genaue Lage der Transponder 200 nicht bekannt
ist, selbst kalibriert, d.h. die Navigationseinheit 250 des
Roboters 200 führt
eine vorgegebene Prozedur aus, um die aktuelle Position zu bestimmen.
Die Kalibrierprozedur kann auch während des Betriebs durchgeführt werden,
wenn aus einem Vergleich der gefahrenen Wegstrecke und einer aus
der Berechnung erwarteten aktuellen Position, wie oben erklärt, eine
Abweichung, festgestellt wird.
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Eine
solche Kalibrierprozedur ist notwendig, da die Antenne 251 der
Navigationseinheit 250 das Transpondersignal in einem Umfang
von bis zu einem halben Meter empfängt. Eine mangelhafte Kalibrierung führt daher
dazu, dass sich der Roboter 200 mit einem entsprechenden
Abstand von den Prozessorelementen 100 parallel zu dem
berechneten Pfad bewegt und somit den Zielpunkt nicht präzise erreicht.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann der Roboter auf einem vorgegebenen Pfad entlang fahren und
kontinuierlich die Intensität
eines empfangenen Transpondersignals messen, um den Punkt mit der
größten Intensität zu bestimmen,
der der genauen Position des Transponderelements entspricht. Zu
diesem Zweck ist die Antenne 251 zum Bestimmen der Intensität des empfangenen
Transpondersignals eingerichtet. Beispielsweise kann der Roboter 200 auf
einem spiralenförmigen
Pfad fahren, oder auf einem Zick-Zack-Pfad.
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- 100
- Prozessorelement
- 100a
- Ursprungs-Prozessorelement
- 100b
- Startpunkt-Prozessorelement
- 100c
- Zielpunkt-Prozessorelement
- 101
- Steuereinheit
- 102
- Speichervorrichtung
- 103
- Antenne
- 110
- x-Richtung
- 120
- y-Richtung
- 130
- Ausrichtungswinkel α
- 200
- Roboter
- 210
- Motor-
und Lenkeinrichtung
- 220
- Wegstrecken-Messvorrichtung
- 250
- Navigationseinheit
- 251
- Empfangs-
und Sendevorrichtung
- 252
- Kompass
- 253
- Recheneinheit
- 254
- Steuerungseinheit
- 300
- Hauptrichtung
- 301
- Roboterausrichtungswinkel
- 302
- Kurs