Autonome mobile Einheiten können beispielsweise in Büro-, Krankenhaus- oder Industrieumgebungen eingesetzt werden, um einfache Tätigkeiten, wie z. B. Transport-, Fernmanipulati- ons-, oder Reinigungsaufgaben durchzuführen. Beim Einsatz solcher autonomen mobilen Roboter ist es beispielsweise wün- schenswert, da diese präzise Andocken können, um in einer Andockstation beispielsweise Waren zu übernehmen oder zu übergeben, einen Batteriewechsel durchzuführen, oder bei ei- ner Reinigungsmaschine beispielsweise das Reinigungsgerät auszutauschen. Ein weiter Andocckfall kann auftreten, wenn die autonome mobile Einheit in eine Garage fahren soll, in welcher sie wartet, bis weitere Tätigkeitsanforderungen an sie gerichtet werden. Während dieser Wartezeit kann bei- spielsweise ein Akkumulator, der in der autonomen mobilen Einheit vorgesehen ist aufgeladen werden, oder es kann eine Selbstdiagnose des Gerätes vorgenommen werden.

Ein Problem das beim Andocken solcher Einheiten auftritt be- steht darin, da das Gerät aus einer beliebigen Startkonfigu- ration in eine fest definierte Endposition verbracht werden muB. Bekannte autonome mobile Einheiten, wie sie beispiels- weise im deutschen Patent P 44 21 805 beschrieben werden, orientieren sich mit Ultraschallsensoren und auf Basis von Odometriemessungen, die an einem Rad der Einheit vorgenommen werden. Während der Fahrt des Gerätes von einem Start- zu ei- nem Zielpunkt summiert sich dabei der Konfigurationsfehler, hervorgerufen durch die Sensorungenauigkeiten bei der Odome- triemessung und bei der Ultraschallentfernungsmessung auf, so

da bald keine genaue Orientierung mehr möglich ist, wenn keine Gegenma nahmen ergriffen werden. In dem zitierten Pa- tent werden Gegenma nahmen in der Form ergriffen, da unter- schiedliche Tätigkeiten welche die autonome mobile Einheit durchzuführen hat, bewertet werden und dabei der Konfigurati- onsfehler überwacht wird. Falls ein zu gro er Fehler auftritt werden Korrekturma nahmen eingeleitet.

Ein weiteres Problem besteht darin, da die autonome mobile Einheit in einer Dockstation vorzugsweise in einer ganz be- stimmten Drehorientierung und mit einer ganz bestimmten Au- enseite an der Dockstation andocken soll. In der Regel wei- sen solche autonomen mobilen Einheiten jedoch eine Dreiradki- nematik auf, was es ihnen nicht ermöglicht sich beliebig auf einer Bewegungsunterlage fortzubewegen. Die Dreiradkinematik von autonomen mobilen Einheiten wird beispielsweise im deut- schen Patent 195 21 358 diskutiert. Dort wird beispielsweise darüber der Schlupf ermittelt, der sich entlang eines geplan- ten Fahrweges einer solchen autonomen mobilen Einheit aufsum- miert.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht also darin, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit dem eine autonome mobile Einheit in eine definierte Endlage in einer Andockstation verbracht werden kann.

Diese Aufgabe wird für die Anordnung gemä den Merkmalen des Patentanspruches 1 und für das Verfahren gemä den Merkmalen der Patentansprüche 10 und 11 gelöst. Weiterbildungen der Er- findung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, da durch Anwendung eines schlitzförmigen senkrecht auf der Bewegungsunterlage der Einheit stehenden Licht- strahles in Verbindung mit einem positionssensitiven Detektor für diesen Lichtstrahl, der parallel zur Fahrfläche der Ein- heit angebracht ist, eine gute Orientierungshilfe zur Verfü-

gung gestellt wird, mit der direkt ein Signal für eine Fahr- wegsteuerung der Einheit zur Ansteuerung der Andockposition generiert werden kann.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, da sie Mittel vorsieht, mit dem der Lichtstrahl erst dann eingeschaltet wird, wenn sich die autonome mobile Ein- heit der Andockstation nähert, da damit Energie eingespart werden kann.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, da sie zwei Detektionsmittel für den Lichtstrahl vor- sieht, welche in einer Hauptannäherungsrichtung der Einheit hintereinander angeordnet sind, damit kann eine genauere Aus- richtung der Einheit in Bezug auf die Andockvorrichtung er- zielt werden.

Ein weiterer Vorzug der beschriebenen Anordnung besteht darin, da als Detektionsmittel für den Lichtstrahl handels- übliche positionssensitive Detektoren eingesetzt werden kön- nen.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, da falls eine geringe Auflösung zulässig ist oder Kostenerwägungen eine Rolle spielen, auch handelsübliche Fo- todioden zur Detektion des Lichtstrahles eingesetzt werden können.

Besonders vorteilhaft kann die beschriebene Anordnung mit einem Laser ausgestattet werden, da dieser eine sehr genaue punktförmige Lichtquelle zur Verfügung stellt, womit eine ge- naue Orientierung in Bezug auf die Andockvorrichtung möglich ist. Vorzugsweise kann dieser Laser im Infrarotbereich arbei- ten, da so Menschen die sich in der Nähe des Gerätes aufhal- ten nicht gefährdet werden.

Besonders vorteilhaft kann der Laser im gepulsten Betrieb ar- beiten, da mit dem gepulsten Signal ein Identifikationscode für den Laser erzeugbar wird.

Besonders vorteilhaft können bei der beschriebenen Anordnung Auslösemittel für die Lichtquelle in Form eines Infra- rot senders und Empfängers vorgesehen sein, da diese in Form von Fernbedienungen weit verbreitet sind und somit kostengün- stig beschaffbar sind.

Besonders vorteilhaft arbeitet eine autonome mobile Einheit mit einem Andockverfahren, bei dem sie anhand des ausgesende- ten Lichtstrahles ihre relative Konfiguration zur Andockvor- richtung bestimmt und anhand ihrer Dreiradkinematik ermit- telt, ob sie aus dieser Konfiguration heraus die Andockvor- richtung gezielt erreichen kann, um dort andocken zu können.

Falls dies nicht der Fall ist, entfernt sie sich selbständig davon und zentriert sich in Bezug auf die Andockvorrichtung.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, da keinerlei Informationen über die Umgebung der Andockvorrichtung erforderlich sind und da es einfach realisierbar ist.

Besonders vorteilhaft können beim beschriebenen Andock- verfahren zusätzlich Kenntnisse über die Umgebung der Andock- vorrichtung ausgenutzt werden, indem beispielsweise ein be- kannter Abstand der Andockvorrichtung zu einer Seitenwand von der autonomen mobilen Einheit vermessen wird und daraus auf die Lage der Andockvorrichtung geschlossen wird. Mit einem zusätzlichen Entfernungsme sensor mit dem der Abstand zur An- dockvorrichtung gemessen wird kann dann die genaue Lage der Einheit ermittelt werden und der Andockvorgang eingeleitet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er- läutert.

Figur 1 und 2 zeigen eine autonome mobile Einheit bei einem Andockvorgang.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Andockvor- richtung.

Figur 4 erläutert beispielhaft die geometrischen Zusammen- hänge bei der Andockvorrichtung.

Figur 5 veranschaulicht das beschriebene Andockverfahren unter Verwendung einer Seitenwand.

Figur 6 zeigt einen Schaltungsaufbau für die Auswertung der Signale von Fotodioden als Detektionsmittel.

Figur 7 zeigt günstige Helligkeitsverläufe.

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Andockvorrichtung.

Figur 9 zeigt einen Schaltungsaufbau für die Auswertung der Signale von Fototransistoren als Detektionsmittel.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen weist eine autonome mobile Einheit mit Dreiradkinematik beispielsweise ein Steuerrad ST und Antriebsräder Al und A2 auf. Die autonome mobile Einheit AE befindet sich in ihrer Andockposition an einer Andockvor- richtung AV, welche beispielsweise Transportrollen TR zur Übergabe oder Entgegennahme von Transportgut aufweist, in ei- ner Ruhelage im Schnittpunkt des Achsenkreuzes xy. In einer beliebigen Drehlage in der Nähe der Andockvorrichtung AV be- findet sich die autonome mobile Einheit beispielsweise in ei- ner Konfiguration P(x,y,beta) mit einem Verdrehwinkel beta ihrer Hauptannäherungsrichtung HA an die Andockvorrichtung AV gegenüber der x-Achse. Falls die autonome mobile Einheit nach einer Fahrt von mehreren Metern Länge an der Andockvorrich- tung andocken soll, so kann es durchaus sein, da der Fehler in der Eigenkonfigurationsschätzung 20 cm und der Orientie- rungsfehler bis zu 50 beträgt. Es besteht also das Problem, da dieser mögliche Positionierungsfehler relativ zur Andock- vorrichtung AV ausgeglichen werden mu . Die Einheit mu daher während des Andockens ihre Position relativ zur Andockvor- richtung genau bestimmen. Hierzu sind Sensoren notwendig die eine Positionsbestimmung relativ zur Andockvorrichtung ermög-

lichen. Während sich die Einheit auf ihrer Fahrt und bei der Verrichtung ihrer Tätigkeiten beispielsweise mit Ultraschall- sensoren und auf Basis von Odometriemessungen in der Umgebung orientiert, so reicht diese Vorgehensweise nicht aus um sie präzise in einer Andockvorrichtung andocken zu lassen. Hierzu ist eine spezielle Andockvorrichtung und ein gezieltes Andockverfahren erforderlich. Wie sich die Einheit innerhalb ihrer Umgebung orientiert und wie sie Tätigkeiten verrichtet und bewertet, kann dem eingangs geschilderten Stand der Technik entnommen werden. Ein weiteres Problem das beim Andockvorgang auftritt, besteht, wie Figur 2 zeigt, darin, da die Einheit AE bedingt durch ihre Dreiradkinematik nicht beliebig manövrierbar ist. Falls, wie Figur 2 weiter zeigt, in unmittelbarer Nähe der Andockvorrichtung AV die autonome mobile Einheit AE einen seitlichen Versatz Ay aufweist, so ist dieser seitliche Versatz nicht durch Manövrierma nahmen bei gleichzeitiger Annäherung an die Andockvorrichtung korrigierbar. Es ist deshalb vorgesehen, da falls ein solcher Fall eintritt, sich die Einheit wieder von der An- dockvorrichtung fortbewegt, wobei sie sich in Bezug auf die Andockvorrichtung zentriert, um bei einem nächsten Annähe- rungsvorgang an eine Dockposition die gewünschte Endkonfigu- ration erreichen zu können. Vorzugsweise ist der Fahrweg zur Andockposition schon aus ausreichender Entfernung von der An- dockvorrichtung vorausplanbar, indem die Dreiradkinematik und die Planungsalgorithmen aus dem zitierten Stand der Technik benutzt werden.

Wie Figur 3 zeigt weist in diesem Ausführungsbeispiel die An- dockvorrichtung AV eine Lichtquelle LQ auf deren Licht durch eine Zylinderlinse LS oder durch eine Schlitzblende zu einem fächerförmigen Strahl BEA aufgefächert wird, der senkrecht auf eine Fahrfläche FF der autonomen mobilen Einheit AE steht. Weiterhin ist an der Andockvorrichtung AV beispiels- weise ein Infrarotempfänger IRE vorgesehen, der für den Fall das er ein Signal empfängt, die Lichtquelle LQ aktivieren kann. Als Lichtquelle LQ können bevorzugt scharf bündelnde

Laser bzw. Infrarotlaser eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere Formen von Lichtquellen, die einen fächerförmigen Lichtstrahl erlauben denkbar. Die in Figur 3 gezeigte auto- nome mobile Einheit weist beispielsweise einen positionsemp- findlichen Detektor PSD1 und einen positionsempfindlichen De- tektor PSD2 auf, welche um eine höhere Positionsauflösung zu erzielen bevorzugt linear senkrecht zu HA und parallel zur Fahrfläche der Einheit angeordnet sind und welche eine genaue Detektion der Position des fächerförmigen Lichtstrahles BEA erlauben, wie dies noch in Figur 4 gezeigt werden wird. Bei- spielsweise ist an der autonomen mobilen Einheit ein Filter FL vorgesehen, der lediglich Licht im Frequenzbereich der Lichtquelle LQ durchlä t, damit Störungen durch Fremdlicht unterbunden werden können. Weiterhin ist beispielsweise ist an der autonomen mobilen Einheit eine Steuereinrichtung ST vorgesehen, welche über Datenleitungen DL vom positionssensi- tiven Detektor PSD1 beispielsweise Stromsignale I1 und I2 und vom positionssensitiven Detektor PSD2 beispielsweise Stromsi- gnale I3 und I4 erhält. Auf Basis dieser Stromsignale kann, wie Figur 4 weiter zeigen wird, die Drehlage der Einheit re- lativ zur Lichtquelle LQ bzw. zum fächerförmigen Lichtstrahl BEA ermittelt werden. Zusätzlich weist die Einheit beispiels- weise einen Infrarotsender IRS auf, welcher mit dem an der Andockvorrichtung AV vorgesehenem Infrarotempfänger IRE kom- munizieren kann, um die Lichtquelle LQ bei einer Annäherung der autonomen mobilen Einheit AE an die Andockvorrichtung AV einzuschalten. Obwohl die hier gezeigte Version einer Andock- vorrichtung die sinnvollste Ausführungsform darstellt, bei der die Auswertermittel in der autonomen mobilen Einheit vor- gesehen sind, welche diese ebenfalls für ihre Steuervorgänge benötigt, kann es auch fallweise sinnvoll sein, die Licht- quelle in der Einheit vorzusehen und die Auswertemittel für die Positionsbestimmung in der Andockvorrichtung vorzusehen und mittels Infrarot sender und -empfänger oder anderer Über- tragungsmittel die Daten an die Einheit zu übermitteln. Vor- zugsweise ist der Lichtstrahl senkrecht zur Unterlage also zur Fahrfläche der Einheit FF aufgefächert, damit ein Bela-

dungszustand der Einheit, der bewirkt da die positionssensi- tiven Detektoren PSD1 und PSD2 ihre Höhenlage in Relation zur Fahrfläche verändern, nicht dazu führt, da ein Andockvorgang unausführbar wird. Vorzugsweise wird der Lichtstrahl bzw. der Laserstrahl gepulst, damit eine genaue Unterscheidung vom Um- gebungslicht durchgeführt werden kann. Beispielsweise ist in der Steuerung ST eine Auswerteelektronik für die positionsen- sitiven Detektoren PSD vorgesehen, welche sich beispielsweise mit der Pulsfrequenz des Lasers auf synchronisiert. Anstatt von positionssensitiven Detektoren, welche handelsüblich er- werbbar sind, können jedoch auch Fotodioden oder Fotottransistoren vorgesehen sein, die eine geringere Auflösung ermöglichen, welche aber fallweise für einen Andockvorgang ausreicht.

Wie Figur 4 zeigt sind die beiden positionssensitiven Detek- toren oder fallweise auch zwei Linien von Fotodioden bezüg- lich einer Hauptannäherungsrichtung HA der autonomen mobilen Einheit an die Andockvorrichtung hintereinander in einem Ab- stand d voneinander angeordnet. Die Darstellung in Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Fahrfläche FF. Der von der Lichtquelle LQ ausgesendete Lichtstrahl BEA passiert bei- spielsweise einen Filter FL und trifft zunächst auf den posi- tionssensitiven Detektor PSD1 und danach auf dem positionsen- sitiven Detektor PSD2. Die beiden positionssensitiven Detek- toren PSD1 und PSD2 weisen in diesem Fall eine Länge L auf.

In Figur 4 stellt die Hauptannäherungsrichtung HA gleichzei- tig die Symmetrieachse der beiden Detektoren PSD1 und PSD2 dar, deshalb lä t sich aus den gemessenen Entfernungen Y1 und Y2 des Strahles BEA von der Hauptannäherungsrichtung HA beim Auftreffen auf die Detektoren PSD1 und PSD2 der Winkel beta als Verdrehung der autonomen mobilen Einheit unter Zuhilfe- nahme des Abstandes d der Detektoren bestimmen. Wie bereits zuvor erwähnt, geben die positionssensitiven Detektoren bei- spielsweise einen Strom 11 und I2 bzw. I3 und I4 ab. yl und y2 lassen sich daraus gemä folgender Formeln bestimmen

y = L (1) <BR> <BR> <BR> 2 +2 <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> L I3-I4 (2)<BR> 2=21 +1 <BR> <BR> <BR> 3 2 13 4 beta ergibt sich daraus zu beta = atan«yl - y2)/ d) (3) Bei der beschriebenen Anordnung ist vorzugsweise ein Filter FL vorgesehen, um die Einflüsse von Fremdlicht zu minimieren und eine genauere Ortsbestimmung des Lichtstrahls BEA durchführen zu können.

Fallweise können auch zwei parallele Lichtstrahlen BEA und BEA2 zur Ermittlung von beta herangezogen werden, deren Abstand y22 voneinander bekannt ist. bei Einsatz von positionssensitiven Detektoren können die Lichtstrahlen BEA und BEA2 zum Beispiel abwechselnd eingeschaltet werden, um den projizierten Abstand zwischen ihnen ,hier auch yl, zu ermitteln. Es kann dazu auch eine reihe von Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden, die einen definierten Abstand voneinander aufweisen. Dies hat den Vorteil, da die zwei Lichtstrahlen gleichzeitig detektiert werden können.

Durch eine eindeutige Kennzeichnung der Fotorezeptoren, bei beispielsweise identischen Abstandsma zweier unmittelbar benachbarter Fotorezeptoren, lä t sich yl über einfache Multiplikation des Abstandsma es mit der Anzahl der Fotorezeptoren bestimmen, die zwischen den beiden Fotorezeptoren liegen, welche BEA und BEA2 detektieren. Da sich der projizierte Abstand der Lichtstrahlen in Abhängigkeit von beta ändert, lä t sich beta zu beta = arccos(y22 / yl) (4) bestimmen. Vorzugsweise ist eine Verstärkerelektronik vorgesehen, welche die Signale der Detektoren PSD1 und PSD2 aufbereitet. Hier wird beispielsweise zunächst überprüft, ob

gepulstes Laserlicht vorhanden ist und falls dies der Fall ist, werden die entsprechenden Entfernungen yl und y2 aus den von den Detektoren abgegebenen Stromsignalen bestimmt. Bei- spielsweise weist die Verstärkerelektronik in der Steuerein- heit ST eine Logikvorrichtung auf, welche auswertet, ob auf beide positionssensitiven Detektoren gepulstes Laserlicht auftrifft. Falls dies der Fall ist, werden die entsprechenden Signale an einen Analogdigitalwandler weitergeleitet welcher beispielsweise das Winkelsignal für beta einem Robotersteuer- programm in Form eines digitalen Wertes zur Verfügung stellt.

Mit dem so bestimmten Winkel beta kann die autonome mobile Einheit bzw. deren Steuerprogramm einen Fahrweg planen, der sie genau ins Ziel führt.

Wie Figur 5 zeigt besteht auch die Möglichkeit den Winkel beta über Hilfsmittel d. h. Landmarken in der Umgebung der Andockvorrichtung AV zu bestimmen. Hierzu mu beispielsweise einem Steuerrechner ST der Einheit lediglich der Abstand DIS der Wand W1 von der Andockvorrichtung AV bekannt sein. In diesem Beispiel nähert sich die autonome mobile Einheit AE der Andockvorrichtung AV rückwärts und vermi t mit seitlich angeordneten Sensoren lSl und 1S2 den Wandabstand dl und d2.

Aus den beiden Abständen und der Länge L zwischen den beiden Sensoren lä t sich der Winkel beta über bekannte Win- kelfunktionen bestimmen. Vorzugsweise kann die Einheit mit einem an ihrer Rückseite vorgesehen Ultraschallsensor US, der bereits in Figur 3 gezeigt wurde, den Abstand zur Andockvor- richtung bestimmen und daraus und aus dem Winkel beta einen Fahrweg zum Andocken an die Andockvorrichtung planen.

Wie Figur 6 zeigt, können in einer Auswerteeinrichtung für Signale von Fotodioden 1 bis 64, deren durch Treiberbausteine TB1 bis TB16 verstärkte Signale SO bis S15, von einem Decoder DEK ausgewertet werden. Dieser Decoder weist beispielsweise Digitalausgänge 100 bis 400 auf, während die Gesamtschaltung Analogeingänge 00 bis 30 besitzt. Als Detektoren sind in die- sem Fall Fotodioden 1 bis 64 vorgesehen, welche beispiels-

weise eine Ortsauflösung von 2 bis 3 mm aufweisen. Vorzugs- weise können 48 Dioden nebeneinander angeordnet sein und wei- tere 16 im Zentrum um eine halbe Diodenbreite gegenüber der unteren versetzt darüber angeordnet sein. Diese zweite kür- zere Fotodiodenreihe dient dabei beispielsweise der Genauig- keitserhöhung im Mittelbereich um eine exakte Positionierung des Laserstrahls auf das Zentrum der Detektoren zu ermögli- chen. Die Auswertung der Signale der einzelnen Fotodioden er- folgt dabei beispielsweise in einer Schleife, welche nachein- ander die Signale der Treiberbausteine TB1 bis TB16 abfrägt und welche nach Abfrage aller 64 Fotodioden die Odometrieda- ten bestimmt um daraus die Position bzw. Orientierung der au- tonomen mobilen Einheit zu ermitteln.

Figuren 7 und 8 veranschaulichen Details einer weiteren Realisierungsvariante der Erfindung die Begriffe Roboter und autonome mobile Einheit sind dabei synonym zu verstehen.

Die dort beschriebene Lösung ist gegenüber anderen Realisierungen sehr kostengünstig und die aktive Fläche des Sensors kann beliebig gro gestaltet werden. Damit ist z.B.

ein Roboter leichter in der Lage, in den somit vergrö erten Wirkungsbereich des Sensors einzufahren. Diese Lösung hat prinzipbedingt kleinere Abmessungen, als eine Laservariante.

Dies gilt vor allem für die Einbautiefe.

Sie kann aufgrund ihres gro en Empfangsbereiches auch für weitere Lokalisierungsaufgaben bei autonomen Robotern genutzt werden und ist nicht nur in der Nähe von Andockvorrichtungen einsetzbar und lä t eine simultane Analyse mehrerer Lichtstrahlen zu.

Es lassen sich sechs Teile der Lösung angeben: - Lichtstrahlerzeugung - Datengewinnungsverfahren - Richtungsinformationsgewinnungsverfahren - Abstandsinformationsgewinnungsverfahren - Auswertungsalgorithmen - Kombinationsmöglichkeit mit optischer Sto stange

Lichtstrahlerzeugung Ein optimaler Lichtstrahl besteht hier aus einem gebündelten Lichtstrahl, der unabhängig vom Abstand zum Lichtstrahlprojektor folgende Anforderungen erfüllt: l.Der Strahl überschreitet im Arbeitsbereich nicht die maximal zulässige Breite.

2.Der Strahl hat überall im Arbeitsbereich eine hinreichend gro e Intensität.

3.Der Strahl ist seitlich nicht scharf begrenzt, sondern be- sitzt in der Mitte ein mehr oder weniger breites Maximum und nimmt zu den Seiten hin in seiner Lichtintensität ab.

4.Der Strahl benötigt eine homogene Form, die die Verteilung der Lichtintensität innerhalb eines gewissen Arbeitsbereiches unabhängig von der vertikalen Position des Sensors macht.

Die spezielle Konstruktion des Sensors macht es in diesem Fall möglich, eine kostengünstigere Lichtquelle einzusetzen.

Im gegebenen Fall wird eine fadenförmige Glühwendel, Figur 8 LQ, wie sie in Sophittenlampen eingesetzt wird, verwendet.

die Glühwendel steht dabei senkrecht auf der Zeichenebene. Im Fernbereich lä t sich ein den Anforderungen genügender Lichtstrahl, veranschaulicht in b, durch Abbildung der Glühwendel durch eine Linse, Figur 8 LS, erzeugen. Im Nahbereich lä t sich ein geeigneter Strahl, veranschaulicht in a, durch den Einsatz einer Blende erzeugen. Grundidee des Strahlerzeugungsverfahrens ist, eine Fresnellinse geeigneter Breite als Kombination von Linse und Blende einzusetzen und somit einen Strahl zu erhalten, der den oben genannten Anforderungen entspricht.

Die Lichtintensitätsverteilung im Strahl hat einen wesentlichen Einflu auf die Genauigkeit des Gesamtsensors.

Aus diesem Grund zeigt Figur 7 einige günstige Strahlprofile.

Noch oben ist die Intensität INT und nach rechts die horizontale Koordinate HORPOS aufgetragen. Sie weisen einerseits bei VT10 eine spitze Strahl form oder andererseits bei VT20 eine plateauartige Strahlform auf. Damit ist eine

gute ortsabhängige Detektion des Strahls bei ausreichendem Intensitätsunterschied zum Streulicht durch die Fotorezeptoren möglich.

Datengewinnungsverfahren Der Sensor nimmt die Helligkeitsverteilung des Lichtstrahls, der auf den aktiven Sensorbereich trifft, wahr. Zu diesem Zweck wird eine Zeile von Fototransistoren oder anderen strahlempfindlichen Elementen eingesetzt. Dabei wird eine besonders einfache und kostengünstige digitale Auswahlschaltung genutzt, die lediglich die Versorgungsspannung der einzelnen Fototransistoren umschaltet, im Anwendungsbeispiel ein Schieberegister, wel- ches sich zu beliebigen Längen erweitern lä t. Diese Spannung lä t einen Strom über den Fototransistor und eine Entkopplungsdiode durch einen Me widerstand flie en. Die an diesem Widerstand abfallende Spannung wird verstärkt und einem Rechner zur Auswertung zugeführt. Diese Schaltung ermöglicht es, die Helligkeitsverteilung über der gesamten aktiven Fläche zu messen. Die Dichte der Me stellen entspricht dem Abstand der Fototransistoren. Der Auswertungsalgorithmus ermöglicht bei geeignetem Signal eine Positionsauflösung, die deutlich besser ist als der Messtellenabstand.

Richtungsinformationsgewinnungsverfahren Eine wichtige Information zur Bestimmung der Lage eines Fahr- zeugs ist die Richtung, aus der der Lichtstrahl kommt. Um diese Information erfassen zu können, werden die lichtempfindlichen Empfänger beispielsweise so behandelt, da sie eine unterschiedliche Richtcharakteristik aufweisen.

Beispiele wären z.B. das Anbringen einer Zeile von Empfängern, die abwechselnd um 45 Grad nach rechts und 45 Grad nach links verdreht angebracht sind. In Figur 8 wird dies durch Ausrichtungen R1 und R2 zweier benachbarter Sensoren angezeigt. In Abhängigkeit von der Richt- charakteristik der Fotorezeptoren sind auch andere

Verdrehwinkel als 45 Grad möglich. Somit wird die natürliche Richtcharakteristik der meisten Empfänger ausgenutzt. Eine andere Möglichkeit ist das Anbringen von Blenden entweder als bewegliche Blende, oder als eine oder mehrere Reihen fester Blenden. Die erste Variante hat den Vorteil, da der Sensor keine gro e Tiefe aufweisen mu . Ein Auswertungsalgorithmus vergleicht die Signale der verschieden ausgerichteten Sensorelemente und ermittelt daraus die Richtung des eintreffenden Strahles. Bei beweglicher Blende kann die Strahl richtung auch aus der Position der Blende relativ zum Sensorfeld ermittelt werden. Das Sensorfeld kann dabei selbst zur Positionsbestimmung der Blende, die dann mit einer LED versehen wird, benutzt werden.

Ein weiteres Verfahren zur Richtungsbestimmung besteht in der Analyse zweier parallel laufender Strahlen. Aus dem gemessenen Abstand dieser Strahlen auf dem Sensorfeld und ihrem tatsächlichen Abstand lä t sich der Betrag der Winkelabweichung von der senkrechten Auftreffrichtung ermitteln.

Abstandsinformationsgewinnungsverfahren.

Zur Ermittlung des Abstandes des Sensors von der Strahlquelle können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Ein Verfahren basiert auf der Verwendung mehrerer Strahlen. Verlaufen diese Strahlen nicht parallel, so kann aus dem Abstand der Strahlen und dem Winkel den sie miteinander bilden auf die Entfernung geschlossen werden. Dieses Verfahren lä t sich auch zu einem Dreistrahlverfahren kombinieren. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Strahlanordnung.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Abstandes ist die Ana- lyse der Lichtintensitätsverteilung im Lichtstrahl. Ist der Roboter weiter vom Brennpunkt des Strahles weg, so ist der Lichtstrahl i.a. breiter.

Auswertungsalgorithmen Der Auswertung der Lichtintensitätsverteilung kommt beim ge- nannten Sensorprinzip eine wichtige Rolle zu. Zur Ermittlung

der Position wird zunächst die Hintergrundhelligkeit abgezogen. Diese kann durch Vergleichsmessung bei ausgeschaltetem Strahl oder durch Interpolation über den Sensorbereich, der nicht vom Lichtstrahl getroffen wird ermittelt werden. Das Ergebnis wird im folgenden "Signalintensitätsverteilung" genannt. Zunächst werden lokale Maxima in der Signalintensitätsverteilung gesucht, und unter Verwendung von Plausibilitätskriterien werden so viele Maxima ausgewählt, wie Lichtstrahlen auf den Sensor treffen sollen.

Die Position des Lichtstrahles wird über Korrelations- oder Schwerpunktsalgorithmen bestimmt. Dabei ist eine geeignete Strahl form wichtig, um eine hohe Positionsgenauigkeit zu erreichen.

Zur Ermittlung der Einfallsrichtung des Lichtstrahles können entweder mehrere Strahlen verwendet werden, oder es werden die Signalintensitäten der Empfangselemente, die sich zwar an gleicher horizontaler Position befinden, aber eine unterschiedliche Richtcharakteristik aufweisen, ins Verhältnis gesetzt.

Optische Sto stange Autonome Roboter benötigen au er einem Sensor zur Positionsermittlung auch einen Schutz gegen Kollision mit Objekten, Wänden, Möbeln und Personen. Eine Möglichkeit, einen solchen Schutz zu gewährleisten besteht in der Verwendung optischer Verfahren. Dabei kann eine Kombination folgender Effekte genutzt werden: l.Dunkle Objekte schatten Umgebungslicht, welches auf einen Sensor fällt, ab, wenn sie sich dem Sensor nähern. Da der beschriebene Sensor auch das Umgebungslicht empfängt, kann der Roboter feststellen, an welchen Stellen Objekte dem Sensor so nahe kommen, da das Umgebungslicht abgeschattet wird und eine Kollisionsgefahr besteht.

2.Helle Objekte reflektieren Licht. Rüstet man den beschriebenen Sensor mit zusätzlichen, schaltbaren lichtemittierenden Elementen, beispielsweise LEDs aus, so kann festgestellt werden, ob und an welchem Ort diffus

reflektierende Objekte in der Nähe des Sensors sind. Zu diesem Zweck wird die gemessene Helligkeit bei eingeschalteter LED und bei ausgeschalteter LED verglichen.

Wählt man die aktive Sensorfläche gro genug, z.B. so, da sie um den gesamten Umfang des Roboters läuft, so können Kollisionen vermieden werden. Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile gegenüber mechanischen Kollisionssensoren: l.Kollisionen können festgestellt werden, bevor mechanischer Kontakt besteht.

2.Die genaue Position der Kollision ist erkennbar.

3.Der analoge Charakter des Signals ermöglicht es festzustel- len, ob vom Robotersteuerungssystem vorgenommene Kollisionsauflösungsstrategien die Situation verbessern oder verschlechtern.

Figur 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Sensorsystems. Man erkennt die Lichtquelle LQ, die aus Glühlampe und Linse, die gleichzeitig als Blende wirkt, besteht.

In Figur 8 ist der am Roboter angebrachte Sensor in Form einer Reihe von Fototransistoren PSD dargestellt.

Transistoren können eingespart werden, wenn die Transistordichte in den Randbereichen geringer, d.h. der Transistorabstand grö er gewählt wird. Weiterhin können Infrarot Sendedioden vorgesehen sein. Diese Dioden können einerseits zur Kommunikation mit dem Lichtstrahlgenerator eingesetzt werden, andererseits lassen sie sich zum Zweck einer optischen Sto stange einsetzen. Es ist ebenfalls möglich, die Sendedioden auf gleicher Höhe wie die Empfangsdioden unterzubringen. Dies hat Vorteile beim Einsatz als optische Sto stange.

Bei der Auswerteschaltung in Figur 9 wird als Ansteuerschalt- kreis ein digitales Schieberegister SR mit hoher Ausgangstreiberleistung verwendet. Dieses kann durch Anreihung auf eine beliebige Länge erweitert werden EX Damit ist es möglich, beliebige Kombinationen von 0V oder 5V an den Ausgängen des Schieberegisters zu erzeugen. Für den normalen Betrieb wird das Schieberegister zunächst gelöscht.

Dann wird ein einzelner 5V Wert über seinen Eingang DIN eingeschoben. Dieser wird in Abhängigkeit eines Zeittaktes CLK von einem Ausgang zum anderen verschoben, so da jeweils ein einzelner Transistor FT mit Betriebsspannung 5V versorgt wird. Dieser Transistor ist jeweils der aktive Transistor.

Die auf den aktiven Transistor einfallende Lichtmenge bestimmt den Strom, der durch den Transistor, die Diode D und über den Me widerstand R nach Masse abflie t. Dabei entsteht ein Spannungsabfall am Me widerstand, abgebbar an DV, der über einen nicht gezeigten Operationsverstärker verstärkt und über einen nicht gezeigten A/D-Wandler vom Computer erfa t wird. Vorteilhaft ist dabei jedoch der Einsatz einer Blende, die direktes Licht von Deckenlampen abschirmt, um die Reichweite zu verbessern und schwächere Lichtstrahlen einsetzen zu können.

Aufgrund der Richtcharakteristik lä t sich aus dem Vergleich benachbarter Transistoren die Strahlrichtung ermitteln. Der Transistor, der senkrechter zum Strahl steht, mi t höhere Helligkeitswerte. Günstiger ist eine Anordnung, bei der mehrere Reihen von Transistoren eingesetzt werden, da dann die inhomogene Helligkeitsverteilung im Lichtstrahl nicht bei der Auswertung kompensiert werden mu . Aus fertigungstechnischen Gründen bietet es sich hier an, vier Reihen anzulegen. Reihe 1 besteht aus um 90 Grad nach links gekippten Transistoren, Reihe 2 aus flach aufgelöteten Transistoren, Reihe 3 aus lichtemittierenden Elementen und Reihe 4 aus um 90 Grad nach rechts gekippten Transistoren.

Jeweils zwei solche Vierergruppen können von einem Ansteuerschaltkreis vom Typ 74AC164 angesteuert werden. Die Baugruppe kann auf flexible Folienplatinen aufgelötet und in ausreichend gro en Längen hergestellt werden, um sie als Sto stange rund um den Roboter anzubringen. Wählt man für die lichtemittierenden Elemente sichtbare Wellenlängen, so kann der Sensor zusätzlich zu Warn-, Werbe- oder Informationszwecken (z.B. als Blinker) eingesetzt werden.