SE502834C2 - Förfarande och anordning för avkänning av hinder vid självgående anordning - Google Patents

Description

502 834 2 vid sin framsida är försedd med en hinderdetekteringsanordning med avkänningsorgan som avger elektriska signaler och med vars hjälp bredden av hinder i anordningens väg kan fastställas.

Avkänningsorganen arbetar rent mekaniskt och utgörs företrädesvis av mikroswitchar.

I GB-1 403 860, med prioritet från en ansökning 1972, finns visat en procedur och en utrustning för automatisk behandling, t.ex. städning, av ett kringgärdat område varvid utrustningen kommer röra sig över området och automatiskt ändra sin bana vid områdes- begränsningarna. Utrustningen kan dock inte i förväg detektera andra hinder närvarande inom det kringgärdade området och följer principiellt ett på förhand fastställt program för att täcka in hela det kringgärdade områdets yta.

Ett annat sådant apparatsystem finns vidare visat i dokumentet CH-619 799 från 1973 med prioritet i en ansökning DE-236 40 02 från 1973. Denna apparat som drivs med två hjul är anordnad med en elektrooptisk mätanordning som uppvisar flera ingångar och utgångar för strålknippen. Mätanordningen tjänar för att uppmäta avstånden mellan apparaten och mätpunkter i väggarna som begrän- sar rummet. Dessa uppmätta mätpunkter förs in i en koordinatbe- räkningsprocessor vilken beräknar och korrelerar respektive kon- trollerar mätpunkternas koordinater och sparar dessa beräknade värden i ett orienteringsminne. Med hjälp av en vägräknare kopp- lad till hjulen beräknas vidare apparatens rörelse och apparaten styrs med hjälp av denna information att själv röra sig systema- tiskt över hela golvytan för att rengöra denna.

En nackdel härvid är svårigheten att lokalisera hinder som kan finnas i vägen för apparaten vid dess rörelser över golvet då ett elektrooptiskt avkänningssystem på grund av sin höga utbrednings- hastighet kräver ett mätsystem som klarar att mäta den mycket korta tiden, varför framför allt ett sådant system, fortfarande med den utveckling som skett inom elektronik och datateknik, blir så dyrt att det framför allt prismässigt inte kan göras till- gängligt för en större allmänhet. Det är alltså tekniskt sett 502 834 3 besvärligt att med ett sådant elektrooptiskt förfarande mäta korta avstånd med en nöjaktig upplösning. Om vidare ett hinder uppvisar en slät vinklad yta kan en sådan elektrooptisk avkän- ningspuls mycket väl reflekteras i en sådan riktning att den reflekterade signalen aldrig uppfattas av mottagaren och därmed erhålls ingen indikering av hindret varför apparaten vid sin rörelse snart kommer att törna mot ett sådant hinder.

I ett dokument från 1984 av James L. Crowley med titeln "Position Estimation for a Intelligent Mobile Robot", The Laboratory for Household Robotics, Carnegie-Mellcux University, finns beskrivet en lösning på problemen att bibehålla en uppskattning av robotens läge när den förflyttar sig i en antingen känd eller okänd omgivning. Dokumentet ger vidare ett antal ytterligare referenser till olika algoritmer använda för modelleringar i detta sammanhang och som kan användas för att programmera en dataprocessor för att styra en sådan robot. En apparat som demonstreras i dokumentet använder dels avkodare på robotens hjul för att fastställa dess rörelse och dels en roterande sensor som avkänner avståndet till yttre ytor med en stråle med en ursprung- lig diameter av ca 7,5 cm och en strålspridning av ca 3°. Sensorn roteras med ca 1 varv per 5 sekunder och ger avståndet till närmaste yta inom 6 m med en upplösning av 3 cm. Apparaten kan härvid sättas i en inlärningsmod under en styrd tur inom omgiv- ningen där den skall verka. Med utgångspunkt från inlärningsmoden kan apparaten sedan från någon utgångspunkt själv orientera sig i denna nu kända omgivning.

I US-A-4 674 048 med prioritet från JP 200360/83 visas ett styr- system för en rörlig robot vilket beräknar dess ögonblickliga läge och sekvensiellt lagrar data för dessa erhållna lägen och vilken information sedan används för robotens fortsatta förflytt- ningar. Roboten beräknar sedan ett rörelsemönster inom ett speci- ficerat område, varvid den tillåts att röra sig inom området för att genomlöpa hela området med hänsyn till eventuella hinder vilka ändrar dess väg. Roboten kompenserar dessutom lägesfel be- roende på slirning av dess drivhjul eller fel i motorns funktion. 502 834 4 Det finns ytterligare en mängd andra dokument som exempelvis US- A-4 114 711 (1978), US-A-4 700 427 (1987), US-A-4 887 415 (1989) vilka också visar olika arrangemang vid automatiskt styrda självgående maskiner.

Gemensamt för alla dessa tidigare konstruktioner är att de på grund av mängden av olika kombinerade metoder som krävs för dess orientering och manövrering oftast blir klumpiga i storlek och framför allt blir de ytterst komplicerade och dyra i fram- ställning. Det är därför ett önskemål att tillhandahålla ett förfarande som kan tillämpas i ett system för en självgående anordning, vilken genom detta förfarande blir möjlig att fram- ställa med rimliga tillverkningskostnader så att en färdig produkt för till exempel automatisk dammsugning av ett rum kan tillhandahållas med ett totalpris som gör produkten tillgänglig för en större allmänhet.

Redogörelse för uppfinningen I enlighet med den föreliggande uppfinningen tillhandahålls ett förfarande och ett system för näravkänning vid en självgående anordning varvid anordningen innefattar ett mikroprocessorsystem och ett avkänningssystem med sändarorgan och mottagarorgan som utnyttjar en utsänd våg med relativt långsam utbredning varigenom reflektioner inom ett närområde detekteras med hjälp av ett till mikroprocessorn anpassat mottagarsystem för frekvensen för vågen med långsam utbredning.

Enligt ett första syfte i enlighet med den föreliggande upp- finningen placeras mottagarorganen i rad längs en krökt baslinje för ett förmånligt erhållande av en tredimensionell riktning till ett hinder som reflekterat vågen med relativt långsam utbredning; Enligt ett andra syfte i enlighet med den föreliggande upp- finningen anordnas över åtminstone ett mottagarorgan en absorba- tor eller en reflektor eller en kombination av dessa, varvid detta fungerar som "ögonbryn" som vid mottagarorganet dämpar mottagandet av reflektioner från oönskade riktningar. 502 834 5 Enligt ett tredje syfte i enlighet med den föreliggande upp- finningen placeras vidare åtminstone ett av mottagarorganen längs den generella krökta baslinjen skilt i höjd i förhållande till de övriga mottagarorganen och lämpligen anordnas det yttersta mottagarorganet på varje sida i raden av mottagarorgan längs den generella krökta baslinjen skilt i höjd i förhållande till de övriga mottagarorganen.

Enligt ett ytterligare syfte i enlighet med den föreliggande uppfinningen utgörs vågen för avkänning av hinder i närheten av anordningen av en regelbundet utsänd puls eller alternativt en regelbundet utsänd svept (chirpad) signal vid frekvensen med relativt långsam utbredning vilken följaktligen upprepas med något givet intervall, varvid vågen med relativt långsam utbredning utgörs av en longitudinell våg och primärt av en akustisk frekvens inom ultraljudområdet (UL-området).

Enligt ett ytterligare syfte i enlighet med den föreliggande uppfinningen utgörs mottagarorganen längs den krökta baslinjen av separeradelnikrofonelement anpassade för'denna vågfrekvens och anordnade att avlämna en lämplig digital signal till mikroproces- sorsystemet i den självgående anordningen.

Figurbeskrivning Uppfinningen kommer att beskrivas i form av en föredragen, belysande utföringsform och med hjälp av de bifogade ritningarna i vilka: Fig. 1 visar en sidovy av självgående anordning i en utför- ingsform som en dammrobot i enlighet med den före- liggande uppfinningen, Fig. 2 visar en vy uppifrån av dammroboten enligt fig. 1, Fig. 3 visar en sidogenomskärningsvy av dammroboten enligt fig. 1, 502 Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. mg.

Fig.

Fig. 10 11 834 6 visar ett rum försett med ett antal aktiva fyrar eller transpondrar och i vilket dammroboten enlig fig. 1 skall orientera sig genom ett första varv längs rummets väggar, visar hur dammroboten enligt fig. 1 principiellt utför sin städning efter att orienterat sig i rummet, visar en allmänt grundläggande bild för bestämning av en transponders läge genom en inbyggd avkännings- funktion, visar dels bestämning av en transponders läge genom hypotesmetoden och dels genom en geometrisk grovbe- stämning, visar orientering mot en transponder under ett första varv i rummet, skild sändare och mottagare och skilda gàngtider mellan sändaren och visar en avkänningsprincip med målet och màlet och mottagaren, visar geometriskt ett inbördes förhållande mellan en sändare och ett antal mottagare enligt en föredragen belysande utföringsform i enlighet med den föreliggan- de uppfinningen, visar en typiskt mottagen signal, flytande tröskel och detekterad signal i en av mikrofonerna, visar i en belysande utföringsform en indelning av betraktelseomràden för roboten, varvid frontomràdet avser rektangeln i framàtriktningen och sidoomràdet avser de rektanglar som ligger pà höger och vänster sida om roboten, 502 834 7 Fig. 13 visar hur beräkning av avståndet från en punkt görs till samtliga mikrofonelement, varvid hur många mikrofoner som används beror på val som görs 1 navige- ringsfunktionen, samt Fig. 14 visar geometri för att beräkna kompensering av höjds- killnaden mellan sändarelementet och en mikrofon.

En belysande föredragen utföringsform Allmän beskrivning.

I fig. 1 i en höger sidovy och i fig. 2 i en vy uppifrån visas i en belysande utföringsform en självgående dammsugare 10 vilken tillämpar förfarandet och systemet i enlighet med den före- liggande uppfinningen. Dammsugaren 10 utgörs i princip av en rund kåpa 11 försedd med två drivna hjul 12 och 13. På kåpan 11 finns en manöverpanel 15 försedd med manöverdon och indikeringar för anordningen i enlighet med teknikens ståndpunkt liksom ett utsläpp 16 för luft från anordningens dammsugningsaggregat 14.

Fig. 3, som förenklat visar en genomskärning av dammsugaren 10, visar att kåpan 11 i princip innefattar 3 avdelningar, en bakre avdelning 17 för uppsamling av damm ovanför dammsugningsaggrega- tet 14, en mittre avdelning 18 för exempelvis tyngre komponenter som ackumulator och drivmotorer, samt en främre avdelning 19 för övrig utrustning, exempelvis en mikroprocessor med tillhörande kretskort och elektronik för sändare och mottagare för oriente- ring och för manövrering av dammsugaren vid dess arbete. Som även framgår av fig. 3 är kåpan 11 vidare i framkant på vanligt förekommande sätt försedd med en mekanisk avkännare 21 för det fall att den skulle stöta mot något i förväg inte detekterat hinder. I en annan utföringsform utgör hela kåpan till utrymmet 19 (fig. 3) en mekanisk avkännare som är rörlig i x- och y-led för att även avkänna hinder högre upp när t.ex. dammsugaren 10 kör in under en soffa eller motsvarande. Uppe på toppen av kåpan 11 finns placerat en ultraljudsändare 20 som tillsammans med ett antal ultraljudmikrofoner används för detektering av hinder i dammsugarens väg, främst inom en närzon framför och vid sidorna av dammsugaren. I en belysande utföringsform är UL-sändaren en 502 834 8 cylinder med en diameter ca 15 mm som sticker upp ca 20 mm över kåpan ll, och upptill är försedd med en ljudabsorberande skiva på vilken sedan vidare finns placerat en IR-mottagare. I denna utföringsform utgör alltså kåpan 11, ultraljudssändaren 20 och den mekaniska avkänningen 21 en integrerad enhet.

I fig. 4 och 5 visas principen för hur dammsugaren utför en auto- matisk städning av ett rum. I rummet i det visade exemplet finns exempelvis en soffa 30 och vidare är rummet i detta fall försett med fyra stycken transpondrar 31 - 34 för dammsugarens oriente- ring. I exemplet finns samtliga transpondrar inom området som skall städas men det skall noteras att en transponder mycket väl skulle kunna befinna sig utanför den begränsade städytan. När dammsugaren skall utföra en automatisk städning av rummet börjar den på sedvanligt sätt med att först göra ett varv runt rummet med väggföljning längs dess begränsande väggar med start från transponder 31 eller "fyr O". Under väggföljningen registreras med hjälp av ultraljudanordningen väggen som följs, och alltså hela tiden skall befinna sig på apparatens vänstra sida när apparaten gör ett högervarv. Vidare registreras transpondrarna 31 - 34 med hjälp av ett system där transpondrarna är aktiva och svarar när transpondern registrerat en utsänd ultraljudpuls från apparaten. I den belysande Lmföringsformen utsänds en sådan ljudpuls, alternativt en svept puls (chirpsignal), varje hundrade millisekund under det att apparaten samtidigt rör sig längs väggen. Det skall noteras att i en utföringsform som använder en chirp-signal är det givetvis möjligt att utsträcka denna så att en sammanhängande kontinuerlig signal bildas i stället för distinkta pulser. Samma UL-sändare används i praktiken i den belysande utföringsformen både för närorienteringen och för kommunikationen med transpondrarna. Med hjälp av svaren från transpondrarna och förflyttningen längs väggen bygger härvid mikroprocessorsystemet upp en slags bild av rummet där trans- pondrarnas exakta position blir bättre och bättre bestämd ju längre apparaten färdas under detta orienterande varv, samtidigt som att den utför städfunktionen längs den väg som tillrygga- läggs. Under detta varv kommer i det belysande exemplet soffan 502 854 9 30 också att kunna registreras av ultraljudanordningen och inplaceras i den "kartbild“ som skapas över rummet. Denna kart- bild fylls vidare successivt i allteftersom rummet dammsugs.

Efter att ett varv runt rummet fullgjorts är dammsugaren förberedd för att på egen hand utföra sin automatiska dammsugning av resten av rummets yta, vilket illustreras i fig. 5. Mikropro- cessorn beräknar härvid ett rörelsemönster så att hela ytan kommer att befaras av apparaten och samtidigt med en lämplig liten överlappning. Under denna arbetsoperation använder anordningen nu "kartbilden" och verifierar apparatens för- flyttningar genom jämförelser mot transpondrarnas lägen och med av hjulen registrerad tillryggalagd sträcka. Genom separata drivmotorer för hjulen 12 och 13 och deras placering kan apparaten enkelt roteras runt sin symmetripunkt, vilken alltså är origo för den cirkel som utgör begränsningslinjen för kåpan ll. Drivmotorerna i en belysande utföringsform är exempelvis stegmotorer med beteckningen KH56HM2-501 från Japan Servt>Co LTD.

Samtidigt som att apparaten förflyttar sig utför ultraljudsyste- met en närområdesavsökning inom ett område ungefärligen 0 - 40 cm för att detektera eventuella hinder som av någon anledning inte finns inlagda i den tidigare skapade kartbilden och som inte kan överfaras av apparaten. Genom apparatens låga höjd kan den exempelvis även dammsuga under ett bord eller en stol, varvid den bara har att undvika dess ben. När apparaten har registrerat ett hinder vänder den först och fortsätter ytstädningen av alla öppna ytor. Därefter utförs hinderstädning genom att exempelvis genom att göra ett varv runt hindret om detta är möjligt innan den fortsätter till nästa hinder. Efter avslutad städning återgår roboten till utgångspunkten för laddning.

Med detta allmänt beskrivna system tillhandahålls alltså en dammsugare eller "dammrobot" som själv med utgångspunkt från en punkt i ett rum automatiskt kan ombesörja en dammsugning av rummet sedan att den erhållit ett kommando för detta. I den belysande utföringsformen utgör “fyr O" en dockningspunkt för 502 834 10 anordningen där den normalt befinner sig i viloläge och därvid kan återuppladda sin inbyggda ackumulator och dit den kan åter- vända för ytterligare laddning om apparaten med en tidigare upp- laddning av ackumulatorn inte skulle klara av att slutföra en dammsugning av hela rummet. Vidare är transpondrarna 31 - 34 i detta fall av aktiv typ som har en egen kraftförsörjning endera genom ett batteri eller genom att exempelvis anslutas i befint- liga vägguttag, vilket i den beskrivna utföringsformen tillämpas för dockningstranspondern 31 för att erhålla laddningsström för ackumulatorn. I fig 4, fig. 5, fig. 6 och fig. 8 är typiskt transpondern 34 självförsörjande med hjälp av ett batteri, medan transpondrarna 32 och 33 liksom dockningstranspondern 31 är anslutna till befintliga vägguttag. Transpondrarna 32 och 33 påminner i utseende om små lampanordningar som ibland insätts i vägguttag för att ge ledbelysning nattetid. I princip kan alltså transpondrarna placeras ut fritt med avseende pà höjd över golvet och den enda som av nödvändighet måste befinna sig på en vägg och vid golvet är alltså start- och dockningstranspondern 31. I enlighet med den föredragna utföringsformen begränsas dock t. ex. höjden för en transponder till exempelvis 1 m över golvet för att kunna minska strålningen uppåt från ultraljudsändaren och därmed minska antalet icke önskade reflektioner uppifrån som bidrar till den allmänna brusbakgrunden.

I den belysande utföringsformen har här beskrivits en dammsugare, men uppfinningen är givetvis tillämpbar för vilken som helst självgående robot exempelvis för någon annan städfunktion som till exempel boning av golv.

Kort beskrivning av orienteringsfunktionen För orienteringsfunktionen används en orienteringsanordning POM (P0sition Manager) vilken vidare innefattar ett antal subrutiner för anordningens mikroprocessor för att dels styra roboten exempelvis varje 20:e millisekund och dels för positionsbe- stämning. Vid starten av en väggföljning är positionen okänd för samtliga transpondrar utom för transponder 31 dvs. "fyr O", som används som utgångspunkt för orienteringen och alltså utgör origo 502 834 ll i dess egna koordinatsystem. I fig. 6 visas ett utgångsläge där en ultraljudpuls registreras av "fyr 3" dvs., transponder 34.

Tiden för t.ex. en ultraljudpuls att utbreda sig från en ultraljudsändare 20 på dammsugaren 10 till transpondern 34 ger ett mått på avståndet till transpondern. Transpondern i sin tur kvitterar att den registrerat ultraljudpulsen genom att på en andra frekvens sända t.ex. en ljuspuls eller en radiovågspuls tillbaka till en, mottagare på dammsugaren. Tiden för denna elektromagnetiska våg att utbreda sig tillbaka är jämförelsevis försumbar och härlett ur tiden från det att pulsen utsänts till att den detekterats av transpondern erhålls avståndet dl till transpondern 34. Det är alltså härmed klart att transpondern är belägen någonstans längs en cirkel med origo vid sändaren 20 och med en radie lika med dr Ett sätt att nu positionsbestämma transpondern är med hjälp av hypotesmetoden. Hypotesmetoden, som skisseras i fig. 7, går ut på att för varje transponder prova med ett antal, exempelvis 4 stycken parallella Kalmanfilter.(En fullständig beskrivning av Kalman-ekvationerna kan exempelvis erhållas ur A. Gelb "Applied Optimal Estimation", MIT Press, 1975 och H. Sorenson "Kalman _ Filtering: Theory and Application", IEEE Press, 1985). Även andra typer av filter kan givetvis vara tillämpliga. Detta motsvarar alltså i fig. 7 fyra olika hypoteser, varav en så småningom skall väljas. När transponderavståndet dlerhålls ansätts transponderns initialposition i respektive filter till (xmmn+dl, Yflm«)f ( xrøba: r Yrobec+d1 ) I (xx-oboe I Yrobo:"d1 ) och (xroborfdl r Yroboc) ° Om inget filter konvergerat förkastas samtliga hypoteser och metoden upprepas. Efter att man hittat ett “bästa estimat“ kan detta värde användas i en ny beräkningsomgång där samma insamlade värden utnyttjas en gång till fast i omvänd ordning. Det så erhållna resultatet har högre noggrannhet än det först erhållna.

Ett annat sätt att positionsbestämma transpondern kan ske genom en geometrisk grovbestämning. Denna metod också skisserad i fig. 7 och även i fig. 8 går ut på att roboten förflyttar sig så långt att två "ben" sl och sz kan bildas vilka tillsammans med trans- 502 834 12 ponderavstånden dl, d, och da utgör underlag för en trigonomet- risk beräkning av transponderns position. Grovbestämningen utgör lämpligen. därefter initialvärde till Kalmanfiltret. För att tillräcklig noggrannhet skall uppnås kräver metoden att sl och s, är tillräckligt långa och att de skär varandra med en viss minsta vinkel. Metoden är till viss del omständlig, eftersom samtliga uppmätta transponderavstånd mellan positionerna 1 och 2 måste lagras (de skall filtreras i efterhand när initialvärdet väl är fastställt). Dessutom kan vissa geometrier kombinerat med ogynnsam möblering göra att transpondern endast syns sporadiskt vilket kan innebära att två "ben" aldrig bildas.

En positionsbestämning av en transponder 34 illustreras i fig. 6 varvid en sekvens måste genomlöpas för varje transponder som upptäcks. Huvudmomenten i en sådan sekvens är exempelvis som följer: a) roboten förflyttar sig från transpondern 31 och erhåller avståndet till transpondern 34. Första mätningen dlerhålls vid sampel 1. b) Nu startas ett filterprogram i mikroprocessorn, i figuren med 4 stycken Kalmanfilter (i den belysande utföringsformen i verkligheten 12 stycken). Initialpositionen för respek- tive filter fördelas likformigt på en cirkel med radien dl. c) Varje nytt sampel matas till respektive filter. I figuren körs 4 filter parallellt med samma data (samplen 1, 2, 3, ...). d) Samplen 1, 2, 3, ... (transponderavstånden) sparas till- sammans med robotens position. De skall användas senare vid en förnyad filtrering av den bästa hypotesen. e) Filtreringen fortsätter tills att ett filter dels har svängt in (uppnått en given noggrannhet) och dels har konvergerat dvs., att restvärdet för skillnaden mellan för- väntat och uppmätt transponderavstànd understiger ett givet värde. f) Resultatet av den bästa hypotesen rimlighetskontrolleras.

Därefter sker en cmáiltrering med den bästa hypotesens utdata som initialvärde för transpondern, vilket ger en 502 834 13 bättre noggrannhet. Slutligen förs transponderpositionen över till navigeringdelen (exempelvis i form av en kart- bild) och används vid lägesbestämning av roboten.

När roboten fullgjort ett helt varv runt rumet finns i den belysande utföringsformen.positionerna för samtliga transpondrar med god noggrannhet inlagda i en “kartbild" som begränsas av rummets väggar samt finns även inlagt eventuella andra hinder som ultraljudsystemet för närområdet upptäckt under denna rundvand- ring. Därefter påbörjar roboten sin städfunktion genom att pá sin kartbild.börja följa ett beräknat rörelsemönster för att överfara rummets hela yta.

Detta rörelsemönster följer en bana som genereras av en bangene- reringsmodul och är uppdelat i ett antal segment. Dessa segment är antingen räta linjer eller cirkelbågar. Vid banföljningen används tre koordinatsystem: 0 ett rumsfast koordinatsystem som täcker rummet och har sitt origo i den första referenstranspondern, 0 ett vagnsfast koordinatsystem som har sitt origo i vagnens referenspunkt, dvs. lämpligen i dess centrum, samt 0 ett segmentfast koordinatsystem vilket ger det körda segmentets läge i rummet.

Samtliga beräkningar implementeras i den belysande utförings- formen med fixtalsaritmetik, varvid tillämpas skalningar enligt nedanstående tabell. Med "skalning" menas värdet av den minst signifikanta biten, medan "ordlängd" avser hur många bitar som används för att representera storheten.

Storhet Skalning Ordlängd Avstånd 1 mm 16 Vinkel 90°/1024 16 Position 1 mm 16 Tid 1 ms 32 502 834 14 I en föredragen utföringsform av förfarandet och systemet 1 enlighet med den föreliggande uppfinningen används alltså samma ultraljudpuls för en avkänning av ett närområde framför roboten med hjälp av ett antal mottagarorgan för det reflekterade ultra- ljudet utplacerade på dammsugarens 10 främre kåpa. Varje sådant mottagarorgan arbetar då inom ett tidsfönster exempelvis efter utsändandet av ultraljudpulsen som motsvarar ett omedelbart närområde och tjänar till att upptäcka ytterligare hinder som inte upptäckts vid det första orienterande varvet runt rummet.

Vidare används åtminstone ett av dessa mottagarorgan för att kontrollera närheten till väggen på vänster sida vid det första orienterande högervarvet. När ultraljudradarn upptäckt ett hinder som det finns risk att köra på minskar exempelvis roboten enligt den belysande utföringsformen hastigheten från 0,4 m/s till ex- empelvis högst 0,1 m/s. Vid denna hastighet kan den mekaniska avkännaren 21 gå mot hindret och det finns ändå tid att stanna roboten inom den mekaniska avkännarens fjädringssträcka.

Detaljerad beskrivning av näravkänningssystemet Näravkänningssystemet är i den belysande föredragna utförings- formen uppbyggt som en ultraljudsradar med ett sändarelement och 5 mottagarorgan i form av mikrofonelement. Mikroprocessorn bestämmer tidpunkten för utsändning av en ultraljudpuls.

Pulslängden bestäms av signalprocessorn som exciterar sändarele- mentet med en eller flera perioder vid 35 kHz. Nästa puls eller svepta puls (chirpsignal) sänds efter ca 100 ms. Denna tid motsvarar en komplett UL-radarcykel, vilket innebär att innan nästa puls sänds skall positioner till tänkbara mål vara uträknade och rapporterade.

Mikrofonsignalerna samplas var och en med 40 kHz efter amplitud- demodulering av mottagen signal. Antalet sampel per kanal är begränsat till 200. Detta motsvarar tiden 5 ms eller en akustisk gångväg på 170 cm om ljudhastigheten ansätts till 340 m/s.

Detektering görs separat pá respektive mikrofonsignal. Tidpunkten för en detektering motsvarar enligt fig. 9 ljudpulsens gångtid 502 834 15 T1 + T2 från ett sändarelement S till en mikrofon M via en reflektionspunkt R1, vilket alltså motsvarar gångvägen. T1 motsvarar gàngtiden för signalen från sändaren S till reflek- tionspunkten R1 och T2 gángtiden för signalen från reflektions- punkten R1 till mottagaren M. För varje kanal motsvaras denna gångvägsgeometri av en ellips med sändaren och mikrofonen i ellipsens respektive fokalpunkter och målet på själva ellipsen helt i analogi med fig. 6 med avseende på positionen för en transponder. Med olika placeringar av mottagare erhålls olika sådana ellipser vilka dock skär varandra i punkten R1.

För att bestämma riktning (x, y, z) till ett detekterbart mål utnyttjas alltså flera mikrofoner. I fig. 10 visas en för den belysande utföringsformen lämplig geometri för sändarelementets och mikrofonelementens placering på det rörliga fordonet dels i en vy uppifrån och dels i en vy sedd från sidan. Det koordinat- system som finns i figuren är det som används vid beräkning av málpositioner. Målpositionen lämnas till navigeringsfunktionen med en x- och en y-koordinat. Totalt kan 200 mål rapporteras.

Algoritmen för måldetektering medför att uppåtgående flank detekteras i mottagen signal. Ett sampel jämförs mot en signalni- vå som skapas med en flytande tröskel och en fast marginal. Om samplet överskrider denna detekteringsnivå är en detektering gjord och samplet sätts till 1, annars till 0. Den flytande tröskeln är en lågpassfiltrering av signalen.

Fig. 11 visar ett exempel på hur den mottagna signalen kan se ut för en kanal. Förutom den mottagna signalnivån ritad med en heldragen linje visar figuren också med en prickad linje den tröskelnivà som skapas. Detekteringar är markerade med en streckad linje. Det kan i figuren konstateras att två detekte- ringar görs. Den första detekteringen härrör från en direktväg från sändarelementet till mikrofonelementet och den andra härrör från en målreflex. Motivet för en flytande tröskel är önskemålet att undvika att detektera de ringningar som finns i pulsen.

Förutom detta innebär även denna tröskelsättning att skillnader 502 834 16 i amplitudnivåerna mellan kanalerna saknar betydelse så länge variationen av amplituden med tiden uppför sig på liknande sätt.

Då ett sampel detekterats sätts även föregående sampel till "etta". Om i fig. ll exempelvis en detektion görs vid sampel 63 så sätts alltså sampel 62 och 63 till "etta". På detta sätt motsvarar en detektering två sampel vilket gör positionsbe- stämningen mera robust. Dà ett måleko väl har detekterats måste den i fig. ll heldragna signalnivàn sjunka under den prickade tröskelnivån innan ytterligare detekteringar tillåts.

Efter detekteringen består signalvektorerna av "ettor" och "nollor" där "ettor" motsvarar detekteringar. Varje detektering motsvarar en tid. Denna tid motsvarar enligt fig. 9 en position som ligger på en ellips med sändare S och mottagare M i ellipsens respektive fokalpunkter.

Genom att beräkna skärningar mellan ellipser från de fem kanalerna kan positionen för ett mål bestämmas. Denna beräkning är dock krävande. Positionsbestämningen kan göras på ett enklare sätt. Kravet på ultraljudsradarn är att den skall detektera och positionsbestämma mål inom ett område framför och vid sidan av roboten. Området definieras och anges med gränser i x- och y-led.

I fig. l2a och l2b visas en områdesindelning i den belysande föredragna utföringsformen innefattande ett frontområde och ett vänster och höger sidoomràde. Varje sådant område delas sedan in i ett kvadratiskt punktraster med möjliga målpositioner. I programkoden anger man avståndet mellan dessa punkter. Upp- lösningen i rastret har godtyckligt valts till samma i x- och y- led. I samtliga punkter fattas beslut om ett mål finns eller inte. På samma sätt som frontområdet i fig. l2a spännes upp av fyra konstanter spännes även sidoomrádena i fig. l2b upp av fyra konstanter. För att visa hur algoritmen arbetar visar fig. 13 en av rasterpunkterna i fig. l2a.

Fig. 13 visar hur geometrin ser ut betraktad uppifrån för 502 834 17 exempelvis rasterpunkten x3, y3. Vid denna grundläggande be- traktelse antas att ett tänkt mål är en cylinder, vilket medför att reflex alltid kan påräknas. För andra mål skulle kunna erhållas geometrier där det finns en risk att en reflekterad longitudinell vågfront inte alltid når tillbaka till mottagaren, exempelvis genom utsläckning mellan från två ytor på föremålet samtidigt reflekterade vågor. Positionen för vald punkt är känd vilket medför att i. fig. 13 kan avståndet Rs till sändaren beräknas. Mikrofonplaceringarna är också kända och angivna i programkoden som konstanter, vilket gör att R1 till RS kan beräknas om detta är önskvärt. Genom att addera Rs till Rl-R5 erhålls fem avstånd.

För att få rätt sampelnummer måste avståndet kompenseras på grund av höjdskillnad mellan sändare och mottagare, varvid fig. 14 visar ett exempel på geometri.

Den verkliga gångvägen R' ges av formeln R R' = h cos(arctan(-)) R där R' är verklig gångväg med höjdkompensering, h är höjd mellan sändarelement och mikrofonelement och R är lika med Rs + Rm och m=1,2.3,4,5- Uttrycket ovan har i implementeringen approximerats med ett polynom av andra ordningen enligt känd teknik, ett för varje kanal.

Varje avstånd motsvarar ett sampelnummer i en av de signalvekto- rer som lagrats undan efter detekteringen. Gångvägen konverteras till ett sampelnummer för aktuell mikrofon med formeln: RI N: = _f| V därlfl är sampelnummer, R geometriskt avstånd, v ljudhastigheten 502 834 18 och f, samplingsfrekvensen.

Kompensering måste också göras för fördröjning i mottagarkanaler- na: N = N, + Na, där N är verkligt sampel, N, är beräknat sampelnummer och Nå är uppmätt fördröjning.

Som villkor för att cellen skall innehålla ett mål anges hur många av de betraktade kanalerna som måste innehålla detektering just för det sampel som motsvarar betraktad cell. Antalet mikrofoner som betraktas är alltså i exemplet valbart mellan l och 5 och väljs av navigeringsfunktionen.

Algoritmen går vidare till nästa beräkningspunkt om villkoret är uppfyllt (mål detekterat) eller så snart det visar sig att villkoret inte går att uppfylla (mål ej detekterat). Efter att framåtriktningen undersökts med i exemplet maximalt 5 mikrofoner, undersöks sidoområdet med maximal 3 mikrofoner.

Vid beräkning av sampelnummer ovan utnyttjas den symmetri som finns mellan höger och vänster halvplan. Det räcker med att räkna ut sampelnummer för vänstra halvplanet eftersom det högra halv- planet kommer att ge samma sampelnummer för motsvarande cell och mikrofon.

Målpositionerna lagras och skickas på anmodan över till navige- ringsfunktionen.

För att radaralgoritmen skall kunna lämna ifrån sig relevanta data krävs att ett antal konstanter är värdesatta, dvs initia- liserande den aktuella subrutinen för robotens mikroprocessor.

Följande indata måste finnas då radaralgoritmen skall börja arbeta: ~ Mikrofonpositioner i förhållande till sändaren, som antas sitta i origo (0,0,0). (Ej nödvändigtvis robotens origo).

Mikrofonpositionernas z-koordinater är implementerade som ett korrektionspolynom vid beräkning av sampelnummer.

- Vilket område som betraktas. 502 834 19 Upplösning i betraktat område.

Uppmätt tidsfördröjning.

Konvertering avstånd - sampel.

Uppmätta data: Sampelvektor från tillgängliga kanaler (exempelvis 5).

Följande parametrar styrs från navigeringsfunktionen: Antal mikrofoner som används vid näravkänningen i fram- åtriktningen (i exemplet maximalt 5).

Krav på minsta antal kanaler som måste innehålla detekte- ring för aktuell cell i framåtriktningen.

Marginal för detektering.

Antal mikrofoner som används vid näravkänningen i sidoom- rådet.

Krav på minsta antal kanaler som måste innehålla detekte- ring för aktuell cell i sidoområdet.

Följande utdata erhålls: Målposition i koordinaterna x, y och z. Maximalt kan 200 mål rapporteras från ett pulssvep (Begränsas av den digita- la signalprocessorns kapacitet). Överföringen sker efter initiering från navigeringsfunktionen.

Genom att :L enlighet med uppfinningen företrädesvis placera mikrofonerna längs en lämpligt krökt baslinje erhålles genom jämförelse mellan gångvägarna även en information om målets höjd, genom att vägen som uppmäts från alla mikrofoner som visar eko från målet ifråga måste överensstämma gentemot målets estimerade iage.

Den krökta baslinjen bestäms i den belysande utförings- formen på ett naturligt sätt av robotens cirkulära form. Alltså genom att införa en höjd för målet och korrigera gångvägarna för 502 834 20 denna erhålls härvid en höjd för vilken samtliga uppmätta avstånd vid varje mottagarorgan eller mikrofon överensstämmer, varvid alltså förutom avståndet till målet även erhålls en uppfattning om målet skulle befinna sig ovanför den yta som befares av roboten. Denna höjdupplösning förbättras ytterligare genom att placera åtminstone ett mottagarorgan skilt i höjd i förhållande till de övriga. I en föredragen utföringsform placeras exempelvis därvid mikrofon 1 resp. mikrofon 5 (Fig. 13) högre än de övriga mikrofonerna 2, 3 och 4.

I den belysande utföringsformen "ser" näravkänningsanordningen hinder inom en ungefärligen 200° framåt riktad cirkelsektor med radien 40 cm, vilket motsvarar en mottagningstid för näravkän- ningen av 13 ms efter en utsänd ultraljudpuls. Detta innebär vidare att processorsystemet har ytterligare 97 ms för be- arbetning och tolkning och lagring av data före att nästa ultraljudpuls utsänds. Vidare väntar också de tidigare nämnda transpondrarna en viss tid med att sända sitt svar med hjälp av t.ex en IR-signal, varför processorsystemet kan utnyttja i storleksordningen 40 ms efter en ultraljudpuls för ytterligare bearbetning av data för näravkänningssystemet innan signaler från transpondrarna börjar dyka upp. Det vill säga att transpondrarnas svar kommer att nå ett mottagarorgan för denna signalfrekvens mellan 40 och 95 ms efter en utsänd ultraljudpuls som registre- rats av en transponder. Mottagarorganet för denna svarssignal är i den belysande utföringsformen placerad ovanpå ultraljudradarns sändarelement 20 (Fig l). Upplösningen i näravkänningsavstånd till ett föremål genom de tillämpade UL-radaralgoritmerna har härvid som målsättning att vara bättre än 5 mm.

Vidare förses näravkänningsanordningen med en absorbator eller en skärm över åtminstone ett mottagarorgan i raden av mottagaror- gan, varvid absorbatorn eller skärmen dämpar oönskade reflektio- ner uppifrån och/eller från sidan och fungerar som ett ögonbryn över mottagarorganet. Denna absorbator eller skärm är' i en belysande utföringsform helt enkelt en liten skiva placerad över mottagarorganet för att begränsa dess sikt uppåt. Om denna skiva 502 834 21 fungerar som absorbator eller skärm kommer att vara en funktion främst av' det material av 'vilket skivan tillverkats. Denna anordning är väsentlig till exempel när roboten passerar under en möbel vars höjd precis tillåter roboten att passera under möbeln varvid ekon kommer att uppträda inom robotens direkta närområde, och vilka ekon härvid annars skulle kunna vara svåra att exakt positionera. Enligt vad som nämnts tidigare minskar roboten sin hastighet när den upptäcker föremàl som kan innebära kollisionsrisk. I detta fall är det alltså inte helt nödvändigt att göra en hastighetsminskning trots att ekon uppträder inom det kritiska avståndet. Genom att den mottagare som är försedd med ett ögonbryn kommer att ge annat ekoutseende kan därvid pro- cessorn fastslà att ekona komer frän en yta som ligger ovanför roboten, efterson1den.normala höjdupplösningen.arbetar främst för ekon som komer inom en sektor framför roboten.

För att ytterligare förbättra näravkänningen är dess mottagaror- gan vidare försedda med en signaldämpningsmöjlighet, exempelvis -20 dB, som kopplas in när ekon frán näraliggande mål blir så starka att mottagaroganen till exempel riskerar att bli mätta- de.

Claims (18)

502 834 22 PATENTKRAV

1. Förfarande för näravkänning vid en självgående anordning (10), vilken är försedd med hjul och motor, varvid anordningen förutom organ för utförande av någon viss funktion, innefattar organ för utrustningens närorientering och styrning i fornxav ett mikropro- cessorsystem samt ett avkänningssystem omfattande ett sändaror- gan, k ä n n e t e c k n a t av att från avkänningssystemets sändarorgan utsänds en våg med làngsam utbredning, varvid med mikroprocessorsystemet under ett på förhand fastställt tidsfönster motsvarande ett visst närområde via ett antal mottagarorgan, lämpligt försedda med signalanpass- ningsanordningar för att förse mikroprocessorn med digitala signaler, registreras reflektioner av 'vågen. med långsanl ut- bredning, att vågen med långsam utbredning utsänds inom en kontinuerlig sektor i anordningens normala färdriktning, att mottagarorganen är placerade längs en företrädesvis krökt baslinje för att genom mottagna reflektionssvar från flertalet mottagare erhålla en tredimensionell riktning till ett hinder som reflekterat vågen med långsam utbredning, varvid med mikroprocessorsystemet skapas ett orienterings- underlag inom näromrádet för att kontinuerligt utnyttjas vid anordningens ytterligare automatiserade förflyttningar med ledning av digital bearbetning av reflektionssvaren på denna vàgfrekvens inom det på förhand fastställda tidsfönstret.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att vidare åtminstone något av lnottagarorganen längs den företrädesvis krökta baslinjen placeras skilt i. höjd i. för- hållande till de övriga mottagarorganen för förbättring av den tredimensionella upplösningen.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av' att den självgående anordningen förses med en absorbator över åtminstone ett mottagarorgan i raden av mottagarorgan för att dämpa oönskade reflektioner uppifrån och/eller från sidan, varvid absorbatorn fungerar som ett ögonbryn över mottagarorgnet. 502 834 23

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a t av att den självgående anordningen förses med en skärm över åtminstone ett mottagarorgan i raden av mottagarorgan för att dämpa oönskade reflektioner uppifrån och/eller från sidan, varvid skärmen fungerar som ett ögonbryn över mottagarorganet.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att vågen med långsam utbredning utgörs av en longitudinell akustisk våg.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att vågen med långsam utbredning utgörs av en akustisk vàg med en frekvens inom ultraljudområdet.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att vågen med långsam utbredning som utsänds för avkänning av hinder i närheten av anordningen utgörs av en kort, regelbundet upprepad puls eller alternativt en upprepad svept puls (chirpsignal).

8. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att det yttersta.mottagarorganet på varje sida i raden av mottagarorgan längs den företrädesvis krökta baslinjen anordnas skilt i höjd i förhållande till de övriga mottagar- organen i mottagarsystemet.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att mottagarorganen längs den företrädesvis krökta baslinjen utgörs av mikrofonelement anpassade för frekvensen för vågen med långsam utbredning.

10. System för näravkänning vid.en självgående anordning, vilken är försedd med hjul och motor, varvid anordningen förutom organ för 'utförande av' någon. viss funktion, innefattar organ för utrustningens orientering och styrning i form av ett mikropro- cessorsystem samt ett avkänningssystem omfattande ett sändaror- gan, k ä n n e t e c k n a t av 502 834 24 att sändarorganet utsänder en våg med långsam utbredning, varvid mikroprocessorsystemet från olika hinder registrerar reflektioner av vågen med långsan1utbredning under ett på förhand fastställt tidsfönster motsvarande ett visst närområde via ett mottagarsystems flertal mottagarorgan, vilka är lämpligt försedda med signalanpassningsanordningar för förse mikroprocessorn med digitala signaler, att sändarorganet utsänder denna våg inom en kontinuerlig sektor, företrädesvis 200°, i anordningens normala färdriktning, att mottagarorganen i mottagarsystemet är anordnade längs en företrädesvis krökt baslinje för att genom mottagna reflektions- svar från flertalet mottagare erhålla en tredimensionell riktning till ett hinder som reflekterat vågen med långsam utbredning, varvid mikroprocessorsystemet genom digital bearbetning av reflektionssvaren inom det på förhand fastställda tidsfönstret skapar ett orienteringsunderlag inom närområdet för att kontinu- erligt via mikroprocessorn styra anordningen för undvikande av hinder vid automatiserade förflyttningar.

11. System enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att vidare åtminstone något av nmttagarorganen längs den företrädesvis krökta baslinjen är anordnat skilt i höjd i för- hållande till de övriga mottagarorganen i mottagarsystemet för förbättring av den tredimensionella upplösningen.

12. System enligt krav 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a t av att den självgående anordningen är försedd med en absorbator över' åtminstone ett mottagarorgan i. raden. av' mottagarorgan, varvid absorbatorn dämpar oönskade reflektioner uppifrån och/eller från sidan och därvid fungerar på samma sätt som ett ögonbryn över mottagarorganet.

13. Systenxenligt krav 10, 11 eller 12, k ä n n e t e c k n a t av att den självgående anordningen är försedd med en skärm över åtminstone ett mottagarorgan i raden av mottagarorgan, varvid skärmen dämpar oönskade reflektioner uppifrån och/eller från sidan och därvid fungerar som ett ögonbryn över mottagarorganet. 502 834 , 25

14. System enligt något av föregående krav 10 till 13, k ä n - n e t e c k n a t av att det yttersta mottagarorganet på varje sida i raden av nmttagarorgan längs den företrädesvis krökta baslinjen är anordnat skilt i höjd i förhållande till de övriga mottagarorganen i mottagarsystemet.

15. System enligt något föregående krav 9 till 14, k ä n n e - t e c k n a t av' att vågen med långsam utbredning är en longitudinell akustisk våg.

16. System enligt något föregående krav 9 till 14, k ä n n e - t e c k n a t av att vågen med långsam utbredning är en akustisk våg med en frekvens inom ultraljudområdet.

17. System enligt något av föregående krav 9 till 16, k ä n - n e t e c k n a t av att vågen med långsam utbredning som utsänds för avkånning av hinder i närheten av anordningen är en kort, regelbundet upprepad puls eller alternativt en regelbundet svept puls (chirpsignal).

18. System enligt något av föregående krav 9 till 16, k ä n - n e t e c k n a t av att som mottagarorgan längs den före- trädesvis krökta baslinjen är anordnat mikrofonelement anpassade för vågpulsen med långsam utbredning.