專利名稱：自控制的機動車的制作方法
自控制的機動車
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種按照主權(quán)項的前序部分所述的自控制的機動車。這種自控制的機動車的典型代表是所謂的自主式割草機(ARM)，如它在用于各種目的，但尤其是用于私有地(私人區(qū)域)中所公知的那樣。這種自控制的裝置通常按照隨機導航的原理作業(yè)在此情況下，ARM通常直線地行駛，直到它碰到一個(合適地通過傳感器裝置或邊界導線探測的)邊界并且然后在隨機確定的角度下轉(zhuǎn)向。這種方法在控制技術(shù)上是簡單的并且尤其是在不對要作業(yè)的區(qū)域(作業(yè)范圍)制圖(地圖數(shù)據(jù))情況下實現(xiàn)， 但是這種已知的方法在實際中具有缺點，與由各角度確定的行駛方向相對應(yīng)的完全的(區(qū)域)覆蓋是隨機性的，因此完全的覆蓋得不到保證或者只有在非常多的線路移動之后才實現(xiàn)。這又導致重復行駛形式的不利的冗余。此外由現(xiàn)有技術(shù)已知，基于存在的地圖數(shù)據(jù)使自控制的機動車，例如自主式割草機，在作業(yè)范圍中行駛。但是為此的條件通常是需要一個(對應(yīng)于制圖或移動分辨率)精確的導航系統(tǒng)，它例如為GPS技術(shù)的形式，或者引起非常高的費用(和因此尤其是對于成本敏感的私人區(qū)域來說不太適合)，或者不能夠達到為了對尤其是較小區(qū)域作業(yè)足夠的位置分辨率。此外由現(xiàn)有技術(shù)已知，借助于(電流流過的)邊界導線限制作業(yè)范圍的界限。為 ARM配置的磁場傳感器此時能夠通過檢測(例如在邊界導線上調(diào)制的)邊界導線信號來識別是否該ARM位于由該導線確定的界限之內(nèi)或之外。但是另一個特別的挑戰(zhàn)在于，不僅識別邊界導線本身，而且識別機動車(ARM)沿著該(通常是閉合的，因為完全圍住一個作業(yè)范圍的)邊界導線的當前位置這種方法由 W003/039314公開，該方法在沒有精確的定位或測位系統(tǒng)下確定在沿著邊界輪廓行駛時達到起點。該現(xiàn)有技術(shù)在行駛期間以規(guī)則的間隔存儲有關(guān)被行駛的路徑的數(shù)據(jù)，其中將各當前的數(shù)據(jù)與存儲的信息相比較，以便確定是否存在相同的數(shù)據(jù)。但是該識別是基于恒定長度(L)的當前的地塊(區(qū)段)與相同長度的存儲的地塊的比較；因此由現(xiàn)有技術(shù)已知的方法的出發(fā)點是，該長度的地塊的特征足夠能夠明確地在整個輪廓內(nèi)識別該地塊。但是在實際中這是有問題的，因為尤其是簡單的輪廓，如例如矩形的草坪區(qū)域，已經(jīng)表示出明顯的問題，即該長度(L)的地塊多次地出現(xiàn)。此外，由于在簡單的區(qū)域情況下常常不存在可以防止這種意義不明確性的另外的數(shù)據(jù)和邊緣條件，因此該方法是具有潛在問題的并且需要改進，最后同樣重要的是以已知的方式制出的地圖具有在其它情況下嚴重的偏差。發(fā)明的公開
因此本發(fā)明的任務(wù)是提供一種按照主權(quán)項的前序部分所述的自控制的機動車，它具有在如此程度上改進的導航機構(gòu)，即能夠可靠地確定作業(yè)范圍的輪廓并且因此可靠地確定圍住該作業(yè)范圍的路徑已被完全地行駛。該任務(wù)通過具有主權(quán)項的特征的機動車解決。本發(fā)明的有利的改進方案在從屬權(quán)利要求中說明。
此外屬于本發(fā)明地被要求權(quán)利的是一種用于自控制的機動車的運行方法，其包括至少兩個方法特征，如由該整個公開內(nèi)容中可以看到的那樣。導航機構(gòu)以按照本發(fā)明有利的方式處理各具有分配的方位信息的路徑段數(shù)據(jù)。為該導航機構(gòu)按照本發(fā)明分配的自相關(guān)機構(gòu)則能夠分析(具有那些分配的方位信息的)路徑段數(shù)據(jù)序列，(通過建立自相關(guān)數(shù)據(jù))確定自相關(guān)并且然后由此確定出是否機動車已經(jīng)完全地行駛了該圍住路徑(或是否再次行駛一個已經(jīng)行駛過的路段序列)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)特別優(yōu)選的是，該自控制的機動車設(shè)計成自主式割草機(ARM)， 尤其是用于私有地，其中其它的相當?shù)氖褂媚康囊彩怯欣?。由此，按照改進方案，作為在機動車上設(shè)置的作業(yè)裝置或功能裝置，不僅可以提供收割裝置，而且提供抽吸裝置(例如以吸塵器的類型)，掃除裝置(例如以用于辦公室或居室區(qū)的清掃和/或刷凈裝置的類型)，施肥裝置和/或灌溉裝置以及可比對的應(yīng)用。按照改進方案，為導航機構(gòu)配置有制圖單元，它設(shè)計成用于產(chǎn)生輪廓圖數(shù)據(jù)，作為對路段數(shù)據(jù)和/或自相關(guān)數(shù)據(jù)的響應(yīng)；按照該改進方案，(輪廓)圖的產(chǎn)生尤其實現(xiàn)了成功地行駛圍住作業(yè)范圍的整個路徑，該輪廓圖然后對于后續(xù)的使用是有用的。因此，按照改進方案，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，在例如機動車在(例如割草)運行中失去方位的情況下，可以通過簡單地駛向用于作業(yè)范圍界限的邊界導線或類似的信號傳感器，實施新的方位確定并且由此有效地繼續(xù)運行。按照本發(fā)明有利地并且按照一個優(yōu)選的改進方案規(guī)定，各路段(和相應(yīng)的存儲的數(shù)據(jù))具有(沿著所述路徑的)恒定的長度；這便于通過自相關(guān)機構(gòu)進行數(shù)據(jù)處理，此外降低要求的存儲器費用。如前所述，這具有作用，尤其是也將角度信息作為方位信息配置于路徑段數(shù)據(jù)；附加地具有優(yōu)點，即用于路徑段數(shù)據(jù)的序列的存儲器需求(僅僅)與路徑長度成比例地增長， 就此而言減小了存儲器費用。特別有利地，在一個優(yōu)選的實施方式的范圍內(nèi)(最佳方式)，通過里程表實施路段的測量或確定。在這種在其它情況下是已知的方法中，測量兩個(例如在左邊和右邊布置的)車輪駛過的路程，其中由該信息可以復制被行駛的路徑(例如通過組合相應(yīng)的路段)。 附加地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)并且借助于角度信息測量機動車的(絕對)方位。與每組路徑段數(shù)據(jù)配置的該信息在較長的路程情況下有利地減小了測量誤差，因為，與里程表數(shù)據(jù)不同， (羅盤)測量誤差與已經(jīng)行駛的路程無關(guān)。這兩種信息的熔合，例如通過Kalman過濾器， 則允許有利地估計位置和方向，其中該誤差在方向上保持被限制而在位置上僅僅緩慢地增大。相應(yīng)地，在該路徑上的兩個位置之間的相對誤差也取決于沿著該路徑的這些位置的距離并且針對一個優(yōu)選假設(shè)的恒定的距離。按照本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式，電子存儲器單元分配有用于數(shù)據(jù)壓縮的單元，它例如可以借助于中央控制單元或類似的處理器或控制器單元實現(xiàn)。它有利地并且在一個改進方案中實現(xiàn)了在大的、超過存儲器單元的存儲容量的數(shù)據(jù)量情況下減少要存儲的路徑段數(shù)據(jù)，更優(yōu)選地例如通過對相繼的路徑段數(shù)據(jù)取平均值(例如通過形成方向平均值)并且由一個數(shù)據(jù)取代該數(shù)據(jù)對。盡管按照本發(fā)明有利的是，(以在其它情況下已知的方式)通過一個邊界導線限制出作業(yè)范圍的界限，該邊界導線然后又通過合適的傳感器裝置與機動車共同作用，但是本發(fā)明不局限于此。在此情況下本發(fā)明也包括采用其它的手段，設(shè)置光學的或磁性作用的傳感器機構(gòu)，它們有能力識別該作業(yè)范圍以及它的邊界，從而就采用按照本發(fā)明規(guī)定的方式而言圍住該作業(yè)范圍的路徑可以被行駛。結(jié)果是，本發(fā)明以令人驚訝的簡單和靈巧的方式實現(xiàn)一種自控制的(=自主式)機動車，該機動車可以以小的費用實現(xiàn)并且能夠可靠地行駛圍繞一個作業(yè)范圍的路徑并且可以在使誤差識別最小化下識別出已經(jīng)行駛的路段或完全行駛該路徑。本發(fā)明的其它優(yōu)點，特征和細節(jié)由以下對優(yōu)選實施例的說明以及依據(jù)附圖獲得。附圖中所示


圖1:按照本發(fā)明的第一實施例的具有為此設(shè)置的功能部件的自控制的(自主式)機動車的示意框圖2:用于說明一個由邊界導線圍住的區(qū)域的作業(yè)范圍的示意圖； 圖3:用于說明路段以及所屬的路徑段數(shù)據(jù)的示意圖；在有規(guī)則的間距d(通過里程表
測量)下存儲相應(yīng)的方位(方向角)φ i ；和
圖4:對為了避免由導航單元造成的錯誤探測和相應(yīng)的結(jié)論，不依據(jù)固定數(shù)量的路段實施任何關(guān)聯(lián)的必要性的說明。作為自控制的機動車的實施例，圖1示意說明了用于實現(xiàn)自主式割草機的功能部件。在一個(沒有具體地示出的)底盤或平臺(底座)上首先設(shè)置割草機構(gòu)形式的作業(yè)或功能單元20。該割草機構(gòu)由中央控制單元12控制(尤其是以激活或去激活的方式)，該中央控制單元例如由合適地編程的微控制器實現(xiàn)，控制和協(xié)調(diào)在圖1中示出的裝置的各不同的功能。驅(qū)動單元10與中央控制單元12共同作用，由雙箭頭表示出該驅(qū)動單元不僅以在其它情況下已知的方式例如通過一對由馬達驅(qū)動的驅(qū)動輪實現(xiàn)割草機單元的直線路徑以及曲線路徑，而且此外配有(在其它情況下)已知的里程表單元，該里程表單元以合適的方式向中央控制單元10提供里程數(shù)據(jù)。附加地，與中央控制單元連接有羅盤單元14，它與依次要產(chǎn)生的路徑段數(shù)據(jù)相適應(yīng)地提供(合適地數(shù)字化的)方向信息，例如作為羅盤值。中央控制單元12此外與邊界導線傳感器單元18配合作用，它例如借助于在其它情況下已知的磁場傳感器裝置，識別出機動車位于一個邊界導線32旁，該邊界導線圍住一個作業(yè)范圍34(圖2)(或可以輸出有關(guān)相對于該邊界導線的位置信息)。以在其它情況下已知的方式，通過示意示出的信號發(fā)生器單元30給該邊界導線32配設(shè)可相應(yīng)地由單元18 探測的信號。中央控制單元12的主要功能是，由一個序列的路徑段數(shù)據(jù)，該路徑段數(shù)據(jù)在所示的實施例中對于恒定長度d的每個路段(參見圖3)具有方向角零，如此地計算出自相關(guān)并且產(chǎn)生相應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，使得由該相關(guān)數(shù)據(jù)可以確定，是否已經(jīng)駛過路徑32 (在圖2中)的一個序列的路段。為了進一步說明該按照本發(fā)明實施的自相關(guān)，由一般的方法出發(fā)，S卩，兩個序列的數(shù)據(jù)被認為是相關(guān)聯(lián)的，如果在該序列的項(元素)之間的關(guān)系不是隨機的話。一個序列是自相關(guān)的，如果具有一個偏移量(OfTset)t，使得該序列與相同的、但是被偏移了 t的序列相關(guān)聯(lián)的話。為了進一步討論該實施例，假設(shè)路徑被以固定的間距d劃分并且通過η個方位代表。在此情況下，Ψ Ji=(^n-I)是由羅盤單元14獲得的第i個方位。因此
I π
τ(')=Σ( ~ fi-/被看作是自相關(guān)的尺度，其中兩個方位之間的差
η - τ frt
規(guī)范地通過最小的角距限定。在這種限定下，值Y (τ)越小，則該序列越自相關(guān)。如果序列Y以周期τ周期性變化(這對應(yīng)于在路徑的行駛期間達到起點的情況，圖2)，那么在給定的前提條件(假設(shè))下可以作出關(guān)于Υ (τ)的數(shù)量級的結(jié)論羅盤測量(值)φ i與i無
關(guān)地帶有大小為方差σ 2的測量誤差，那么從基礎(chǔ)的概率論理論的研究中得出關(guān)于項(φ
2 2
i-φ i-J的方差為2ο 2和為自主式機器人設(shè)置一個輪廓邊緣的方差為-0 ，或
η ~ χ
標準偏差J^^J。因此，如果Y (τ)的值不超過計算的標準偏差的一定的倍數(shù)，則一個 I η - ι
可能的周期就處于位置τ上。例如在給定的假設(shè)下，Y (τ)的一百萬次測量中只有一次測量大于六個標準偏差。另一個條件使得在給定的應(yīng)用中找到周期更容易。一旦自主式平臺完整地行駛了該輪廓，那么它總體上轉(zhuǎn)動了 2 π或，這取決于該輪廓是沿順時針方向還是沿逆時針方向被行駛。因此在計算Y (τ)時，第一，現(xiàn)在不應(yīng)該將角度平i標準化，也就是說，0°的方位與360°的方位的區(qū)別在于，平臺相對于起始方位已經(jīng)沿著數(shù)學時針方向圍繞自己的軸線轉(zhuǎn)動一次。第二，應(yīng)該如此地計算差φ Φ h，即在未標準化的角度之間的一個2 π 或-2 π的差可以給出0的結(jié)果，即
Cp — (p, ι ” " z'H. Ip. _〉()
φ; — φ, ；={其它。
f, - +依據(jù)上述限制并且在使用該角度差公式下，可以為每個時間點確定出所有可能的周期τ。如果在此時只給出一個局部最小值Y (τ)，它是一個可能的周期，那么該周期還不是明確的(如依據(jù)圖4說明的那樣序列41/42/43對于序列51/52/53來說是不明確的，因此可能進行一個可能的錯誤確定)。但是，如果在行駛了 2 τ的距離之后仍然可以確定一個周期τ并且沒有另外的周期再可以確定，那么該問題就被明確地解決了。因此，為了可靠地確定達到起點，必需行駛該輪廓兩次。相應(yīng)地，圖1中示意示出的存儲器單元16包含如此產(chǎn)生的路徑段數(shù)據(jù)的序列，該序列以前述方式通過中央控制單元針對自相關(guān)被進行評估。
在此情況下，本發(fā)明在所示的實施方式中在存儲器管理和需求方面具有優(yōu)點，這對用于計算評估所需的時間消耗也產(chǎn)生有利的影響在第一種方法中，為用于非標準化的方位的存儲區(qū)(分格)設(shè)置距離分辨率d。以相同的分辨率設(shè)置用于函數(shù)Y (τ)的存儲區(qū)。 因此，在每個距離d之后要存儲一個新的方位值。此外，必須針對每個τ更新函數(shù)Υ (τ)。 在此情況下不必重新評估總和，新的Y (τ)以明顯的方式由舊的值以及新的方位得出。與時間消耗一樣，存儲器的消耗因此隨著行駛的距離線性地增加。但是，通過只考慮那些通過了上述標準偏差測試的可能的周期τ，可以減小時間消耗。一旦一次沒有通過該測試，則該可能的周期不再被考慮。為此，在用于函數(shù)Y (τ)的每個存儲區(qū)旁，還設(shè)置一個指針區(qū)，它指向下一個存儲區(qū)。因此形成一個相互聯(lián)結(jié)起來的名單，它包含所有可能的候選對象。如果一個可能的周期沒有通過標準偏差測試，那么對應(yīng)的存儲區(qū)被從相互聯(lián)結(jié)起來的名單中刪除。用于更新的時間消耗因此與仍然可能的候選對象的數(shù)量成比例。如果存在用于存儲該輪廓的存儲極限，那么可以通過以下的方法實現(xiàn)一種恒定的存儲器使用量。如果該輪廓的存儲單元(分格)的數(shù)量超過一個給定的最大數(shù)量，那么每兩個區(qū)通過一個區(qū)合并起來(通過方位的平均)，同樣針對存儲的函數(shù)值Y ( τ )進行實施。 在后繼的過程中該值d被加倍。因此又提供最大數(shù)量的一半供使用，以便擴大該圖。如果要可靠地確定一個周期，那么可以在使用相鄰存儲器單元的值下通過最小值的確定，比步寬d更加精確地求得它的精確的值。如果以前面描述的方式可靠地確定了路徑或周期，那么按照改進方案規(guī)定，產(chǎn)生一個輪廓圖。中央控制單元12為此目的象征性地分配有一個制圖單元22，其中由此說明， 利用在其它情況下已知的方法，例如由機器人技術(shù)文獻中已知的技術(shù)如SLAM(其中尤其是環(huán)路閉合(Loop-Closing))可以產(chǎn)生圖。這種技術(shù)例如在Autonomous Robots(自主式機器人)雜志，1997 年第 4 卷中在 F. Lu 和 E. Milios 的文章 “Globally consistent range scan alignment for environment mapping，，中被描述，其中i亥公開內(nèi)容Ifc這方面來說并且為了本發(fā)明的可實施性的目的被認為包含在本公開內(nèi)容中并且屬于本發(fā)明的一部分?，F(xiàn)在輪廓圖實現(xiàn)了自主式機器人，如在實施例中描述的ARM，的一種重要的基礎(chǔ)功能的實施，即針對圖確定方位。這不僅涉及在已知的位置情況下隨時更新機動車的位置，而且涉及在已知的位置情況下與圖有關(guān)地確定位置。在第一種情況下使用所謂的顆粒過濾器，如例如在S. Thrun, W. Burgard, D. Fox的 Probabilistic Robotics, MIT 出版社 2005 年，中描述的那樣。在第二種情況下，ARM首先駛向邊界導線32，其中這例如可以通過隨機導航實施， 該隨機導航一直有效，直到達到邊界導線32為此。然后機器人開始沿著邊界導線32行駛并且在此時，如上所述，借助于已描述的自相關(guān)函數(shù)(或所屬的自相關(guān)數(shù)據(jù))將行駛過的路徑與輪廓邊緣相比較，直到明確地確定在邊界導線上的位置。在專業(yè)人員的技能的范圍內(nèi)，除了直接將記錄的序列與輪廓比較以外，例如還設(shè)置顆粒過濾器或直方圖過濾器，如上面在S. Thrun等人的Probabilistic Robotics中所描述的那樣。本發(fā)明不局限于所示出的實施例以及應(yīng)用情況“割草機”；相反可以設(shè)想大量的變型和備選實施方案。在這點上，通過一個邊界導線確定作業(yè)范圍34也僅僅是一個示例；備選地，該單元可以具有合適的傳感器裝置(例如草坪傳感器，例如以在其它情況下已知的方式通過攝像裝置實現(xiàn))，借助于該傳感器裝置可以以簡單的方式沿作業(yè)區(qū)域的邊界行駛。
權(quán)利要求
1.自控制的機動車，它設(shè)計成在一個區(qū)域上自主移動并且具有用于移動的驅(qū)動機構(gòu) (10)以及導航機構(gòu)(12)，其中所述導航機構(gòu)設(shè)計成用于沿著一個閉合的路徑(32)進行位置確定，所述路徑圍住所述區(qū)域的一個作業(yè)范圍(34)，其中所述導航機構(gòu)設(shè)計成用于產(chǎn)生相繼的路徑段數(shù)據(jù)并且所述路徑段數(shù)據(jù)分別具有針對所述路徑的路段分配的方位信息，尤其是角度信息(f )，其特征在于，所述導航機構(gòu)分配有自相關(guān)機構(gòu)(12)，所述自相關(guān)機構(gòu)設(shè)置成它們從對應(yīng)于沿著所述路徑的移動的路徑段數(shù)據(jù)的序列中通過確定自相關(guān)數(shù)據(jù)來確定，是否和/或所述機動車已經(jīng)完全地行駛了所述圍住路徑和/或一個已經(jīng)被行駛的路段序列被重新行駛。
2.按照權(quán)利要求1所述的機動車，其特征在于，所述機動車設(shè)計成用于作業(yè)和/或功能單元(20)的支承體。
3.按照權(quán)利要求2所述的機動車，其特征在于，所述作業(yè)和/或功能單元(20)是收割裝置，尤其是割草機，抽吸裝置，掃除裝置，施肥裝置和/或灌溉裝置。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項所述的機動車，其特征在于，所述導航機構(gòu)分配有制圖單元(22)，所述制圖單元被如此地設(shè)計，使得它由路徑段數(shù)據(jù)和/或自相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生被所述路徑圍住的區(qū)域(34)的輪廓圖數(shù)據(jù)。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的機動車，其特征在于，所述路段分別具有沿著所述路徑的恒定的長度(d)。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的機動車，其特征在于，所述路段的長度通過里程表確定，其中所述驅(qū)動機構(gòu)和所述導航機構(gòu)分配有里程表裝置(10)。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的機動車，其特征在于，所述導航機構(gòu)具有用于路徑段數(shù)據(jù)序列的電子存儲器單元(16)。
8.按照權(quán)利要求7所述的機動車，其特征在于，所述電子存儲器單元(16)分配有用于路徑段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)壓縮的機構(gòu)，所述機構(gòu)優(yōu)選設(shè)計成用于產(chǎn)生相繼的路徑段數(shù)據(jù)的方位信息與數(shù)據(jù)壓縮的一種關(guān)聯(lián)關(guān)系，更優(yōu)選地產(chǎn)生平均值。
9.按照權(quán)利要求1至8中任一項所述的機動車，其特征在于，所述導航機構(gòu)設(shè)計成與一個限定所述圍住路徑的邊界導線(32)共同作用，所述邊界導線提供可以通過導航機構(gòu)探測的信號。
10.按照權(quán)利要求1至9中任一項所述的機動車，其特征在于，所述導航機構(gòu)設(shè)計成與一個傳感器單元共同作用，所述傳感器單元尤其利用光學機構(gòu)可以識別在所述區(qū)域中的所述作業(yè)范圍(34)以及所述區(qū)域的邊界。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自控制的機動車，它設(shè)計成在一個區(qū)域上自主移動并且具有用于移動的驅(qū)動機構(gòu)(10)以及導航機構(gòu)(12)，其中所述導航機構(gòu)設(shè)計成用于沿著一個閉合的路徑(32)進行位置確定，所述路徑圍住所述區(qū)域的一個作業(yè)范圍(34)。按照本發(fā)明規(guī)定，所述導航機構(gòu)設(shè)計成用于產(chǎn)生相繼的路徑段數(shù)據(jù)，所述路徑段數(shù)據(jù)分別具有針對所述路徑的路段分配的方位信息，尤其是角度信息()并且所述導航機構(gòu)分配有自相關(guān)機構(gòu)(12)，所述自相關(guān)機構(gòu)設(shè)置成它們從對應(yīng)于沿著所述路徑的移動的路徑段數(shù)據(jù)的序列中通過確定自相關(guān)數(shù)據(jù)來確定，是否和/或所述機動車已經(jīng)完全地行駛了所述圍住路徑和/或一個已經(jīng)被行駛的路段序列被重新行駛。
文檔編號G05D1/02GK102473014SQ201080030869
公開日2012年5月23日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者阿爾伯特 A., 比貝爾 P. 申請人:羅伯特·博世有限公司