Der klassische Bodenstaubsauger besteht aus einem auf Rollen gelagerten Motor- block, an den über einen Schlauch verschiedene Düsenformen angeschossen wer- den können. Für das Saugen von Fußböden wird hierfür im a ! ! gemeinen eine an ei- nem Teleskopstiel befestigte starre Düsenform, die das Saugen eines etwa 20 cm breiten Streifen ermöglicht, verwendet. Alternativ kann der Motorblock auch in den Teleskopstiel integriert sein. Für glatte Böden ist bei den meisten Modellen eine kur- ze Bürste integriert, die über einen Tret- bzw. Handschalter aus der Düse herausge- schoben werden kann. Zusätzlich kann bei einigen Modellen eine Düse mit horizon- tal rotierender Bürste verwendet werden, um die Reinigungswirkung zu erhöhen (Klopfsaugen). Der Antrieb dieser Bürste erfoigt entweder elektrisch oder indirekt über den Luftstrom.

Zur Erhöhung der Reinigungswirkung speziell für die Anwendung bei Kehrmaschinen wird eine Anordnung von mehreren Tellerbürsten, die über ein Planetengetriebe in Mehrfachrotation versetzt werden, in der deutschen Patentschrift 1057154 beschrie- ben. Ebenfalls bereits von Kehrmaschinen bekannt sind zwei fest installierte Teller- bürsten an den vorderen beiden Ecken, die der automatische Staubsauger in DE 43 07 125 A1 aufweist, um Schmutz im unmittelbaren Seitenbereich des Sauger vor eine starr installierte Saugdüse zu befördern.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 21 01 659 wird ein Staubsauger mit einem teleskopartig ausfahrbaren Saugarm, der einen kreisrundem Querschnitt auf- weist, beschrieben, an dessen Ende die Saugdüse befestigt ist. Der Sauger ist nicht mobil, sondern kann sich lediglich uber ein quer angebrachtes Steuerrad in einem gewissen Winkelbereich drehen. Sensoren sind nicht vorhanden, lediglich die Seiten der Saugdüse sind über einen Federmechanismus drehbar gelagert, um Hindernis- sen ausweichen zu können.

In der britischen Patenschrift GB 20 38 615 A ist ein ferngesteuerter Sauger mit kreisrunder Grundfläche auf drei Rädern, von denen zwei angetrieben sind, darge- stellt, bei dem die starre Saugdüse unterhalb der Saugergrundf ! äche angebracht ist.

Ein Steuerverfahren sowie Sensoren werden allerdings nicht angegeben.

Das Patent US 50 95 577 beschreibt einen selbstfahrenden Staubsauger, bei dem die Saugdüse am Ende eines auf einer Trommel aufgerollten Saugschlauches befe- stigt ist und mit diesem ausgefahren werden kann. Durch mechanische Sensoren und Steuerelemente ist dieses Gerät in der Lage, einem Wandverlauf zu folgen und hierbei die Saugdüse ein- und auszufahren.

Derselbe Mechanismus, jedoch zum Ausfahren einer oder zweier Saugdüsen quer zu Fahrtrichtung, wird im Patent US 51 99 996 dargestellt, wobei allerdings der Staubsauger nur auf parallelen und hierzu senkrechten Bahnen bewegt wird.

Einen weiteres Steuerverfahren für einen automatischen Staubsauger zeigt die Pa- tentschrift DE 43 40 771 A1. bei dem der Sauger entlang der inneren Kontur einer zu reinigenden Ftäche geführt wird und hierbei die Konturen der zu reinigende Flache erfaßt. Dann vergleicht ein Mikroprozessor den Zuschnitt des Raumes mit zuvor ge- speicherten Konturen, um das entsprechende Reinigungsprogramm auszuwahlen.

Für die Orientierung wird neben optischen und Ultraschall-Sensoren auf der Ober- seite des Saugers ein Magnetfeldsensor verwendet, um die Richtung zu bestimmen.

In EP 01 42 594 B1 sowie DE 43 07 125 A1 wird ein ähntiches Steuerverfahren be- schrieben, allerdings mit der zusatzlichen Funktion, daß der Sauger selbstandig nach einen Umlauf zur Bestimmung der Konturen der zu reinigenden Fläche parallele Reinigungsbahnen plant und ausführt, ohne daß zuvor ein Reinigungsprogramm für einen bestimmten Raum gespeichert werden müßte.

Die Offenlegungsschrift DE 196 14 916 A1 beschreibt einen automatisch arbeiten- den Fahrroboter, dessen Orientierung im wesentlichen auf der stereoskopischen

Auswertung der Bilddaten von zwei Videokameras beruht. Ein konkretes Steuerver- fahren wird allerdings nicht angegeben.

Zusätzlich zu den bisher angeführten deterministischen Steuerverfahren ist auf der Messe " DOMOTECHNICA 99" ein selbständig arbeitender Staubsauger vorgestellt worden, der im wesentlichen stochastisch gesteuert wird. Hierbei fährt der Sauger solange in eine bestimmte Richtung, bis ein Hindernis, das durch Sensoren detek- tiert wird, seinen Weg blockiert. Der Sauger dreht sich dann von dem Hindernis weg und setzt seinen Weg in eine beliebige andere Richtung fort, bis wiederum ein Hin- dernis eine Kursänderung erzwingt, und so weiter.

Problemstellung Trotz der über die Jahrzehnte erzielten Optimierung in einzelnen Bereichen bleibt Staubsaugen mit den heute zur Verfügung stehenden manuellen Vorrichtungen eine zeitaufwendige und anstrengende Hausarbeit, da häufiges Bücken, u. U. das Verrük- ken von Gegenständen sowie teiiweise kräftiges Reiben der Saugdüse erforderlich sind. Hinzu kommt, daß aufgrund der unflexiblen Bodensaugdüsen Beschädigungen an empfindlichen Möbeln auftreten können und daß beim Übergang von glatten zu mit Teppich belegten Flächen jedesmal manuell die Saugdüse umgeschattet werden muß, um optimale Saugwirkung zu erzielen. Falls Engstellen zu saugen sind, muß sogar umständlich die Saugdüse ausgewechselt werden.

Die bekannten Steuerverfahren für selbsttätig arbeitende Staubsauger weisen fol- gende Nachteile auf : Steuerverfahren, die eine manuelle Vorgabe der Wegführung erfordern, sind zu auf- wendig und sehr unflexibel, da sich gerade im Haushalt durch das Verrücken von Gegenständen die zu saugende Bodenfläche ständig ändert.

Steuerverfahren, die vor Beginn des eigentlichen Saugvorganges selbständig die Außenkonturen der zu saugenden Fläche selbständig ermitteln und mit dieser Infor- mation ihre Reinigungsbahnen festlegen, sind überfordert, falls viele Hindernisse, wie z. B. Möbel, zu ständigen Ausweichmanövern zwingen. Außerdem dauert es aufgrund der Randabtastung relativ lange, bis der eigentliche Saugvorgang beginnt und das Verfahren funktioniert nur in abgeschlossenen Raumbereichen. Darüber-

hinaus ist es nicht möglich, einen bestimmten Startpunkt für den Sauger vorzugeben, von dem aus der Reinigungsvorgang beginnen soll.

Rein stochastische Steuerverfahren arbeiten ebenfalls unbefriedigend, da bestimmte Flaches sehr häufig überstrichen werden, während andere Bereiche selten oder gar nicht gereinigt werden, wodurch eine ungleichmäßige Reinigung erzielt wird. Der Saugvorgang dauert außerdem sehr lange und es existiert kein Abbruchkriterium.

Die mit obigen Verfahren gesteuerten selbstfahrenden Staubsauger sind aus folgen- den Gründen nicht als Ersatz manueller Staubsauger geeignet : Leistungsstarke Staubsauger weisen eine sperrige Bauform auf und sind deshalb in engen Räumen nicht einsatzfähig, auch weil Beschädigungen an empfindlichen Ge- genständen nicht ausgeschlossen werden können. Außerdem werden neben auf- wendigen Antrieben zahlreiche und komplizierte Sensoren eingesetzt, wodurch die Geräte anfällig und sehr teuer sind. Zur Verbesserung der Erreichbarkeit wurden in jüngster Zeit f ! ache Geräte mit kreisförmiger Grundftäche entwickelt. Hierdurch wird allerdings die mögliche Akkugröße und damit die Reichweite und die Saugleistung begrenzt, und dennoch können viele Bereiche in Ecken und Nischen sowie an Mö- belkanten nicht gereinigt werden, da sie für den Sauger nicht zugänglich sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Steuerverfahren zur Verfügung zu stellen, das einerseits in der Lage ist, sich selbsttätig an beliebige Bo- denfiächen mit beliebigen Hindernissen anzupassen, und andererseits unnötige Mehrfachreinigung bestimmter Bereiche zu vermeidet, während andere Stellen nicht oder nur unzureichend erfaßt werden. Darüberhinaus soll die Reinigung an einer vom Nutzer vorgegebenen Stelle direkt starten können, ohne daß zuvor umständlich die Raumkonturen abgetastet werden müssen.

Um eine ernsthafte Alternative zu herkömmlichen Staubsaugern darzustellen, soll die von dem Verfahren gesteuerte Vorrichtung sämtliche Bodenbereiche und eben- falls Möbelkanten und schmale Nischen erfassen, wobei eine hohe Reinigungswir- kung erforderlich ist und Beschädigungen ausgeschlossen werden müssen. Die Vor- richtung muß groß genug ausgeführt werden, um eine genügende Batteriekapazität aufzunehmen. Durch entsprechende Isolierung kann der entstehende Lärm weitest- gehend abgeschirmt werden. Der Staubsauger sollte weiterhin möglichst einfach ausgeführt, robust sein und auf komplizierte Sensoren verzichten, um eine kosten- günstige Herstellung zu ermöglichen.

Lösung Zur Lösung der genannten Probleme wird ein vollautomatisches Steuerverfahren insbesondere für einen selbstfahrenden Staubsauger mit Abstands- und Kontakt- sensoren vorgestellt, das die folgenden wesentlichen Merkmale aufweist : Um die Vorrichtung herum wird ein Nahbereich festgelegt, dieser durch Sensoren abgetastet, und an den Grenzen des Nahbereiches werden mög ! iche neue Positio- nen für das Gerät gespeichert. Anschließend wird nach Auswahl einer der im aktu- ellen oder früheren Schritt gespeicherten Positionen, abhängig vom Grad der Er- reichbarkeit, einer zugeordneten Priorität und unter Berücksichtigung des Vorhan- denseins von noch nicht abgetasteter Flache im Bereich der möglichen neuen Posi- tionen, die gewählte Position angefahren und danach die beschriebene Abfolge der Verfahrensschritte solange wiederholt, bis eine vorgegebene Gesamtfläche vottstän- dig überstrichen wurde oder keine neue Position mehr ausgewählt werden kann.

Die von den Sensoren abgetastete Bodenftäche wird in ein zweidimensionales Da- tenfeld abgebildet, um hierin während der Abtastung erkannte Hindernisse, freie Be- reiche sowie mögliche neue Positionen für die Vorrichtung durch bestimmte Stati zu markieren. Dieses Feld, in dem somit sukzessive ein Abbild derzugäng ! ichen Bo- denftäche mit den Konturen sämtlicher Hindernisse und begrenzenden Rändern ent- steht, dient zur Festlegung von Steuerparameter für die Vorrichtung sowie zur Kon- trolle der bereits überstrichenen Fläche.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuerverfahrens sind im folgenden ange- geben : Der Nahbereich kann durch die Reichweite der Sensoren festgelegt sein, die an der Vorrichtung starr oder beweglich befestigt sind. Hierbei können richtungssensitive Sensoren mit Fernwirkung eingesetzt werden oder einfache Kontakt- bzw. Ab- standssensoren, die durch eine geeignete Mechanik über die abzutastende Flache geführt werden. Die Abtastung des Nahbereiches kann aber auch so erfolgen, daß die Wirkung von Sensoren mit Fernwirkung oder von beweglichen Sensoren emuliert wird, indem die gesamte Vorrichtung bewegt wird und diese den maximai zugängli- chen Nahbereich mit etwaigen Hindernissen durch Sensoren ohne Fernwirkung er- mittelt. In diesem Fall kann als Nahbereich eine beliebige Teitftäche retativ zur Posi- tion der Vorrichtung definiert werden.

Beim Einsatz von Sensoren, die keine Richtungsinformation liefern, wird nach dem Detektieren eines Hindernisses die exakte Position des Hindernisses durch Berück- sichtigung der Abtastrichtung ermittelt.

Um die Anzahl der gespeicherten Positionen zu begrenzen, werden nach der Abta- stung des Nahbereiches nur dort neue Positionen gespeichert werden, wo keine Hindernisse detektiert wurden und auch keine Hächenbereiche angrenzen, die be- reits von einer früheren Position des Gerätes aus abgetastet wurden. Besonders einfach faßt sich diese Bedingung dadurch realisieren, daß nur an denjenigen Gren- zen des Nahbereichs neue Positionen gespeichert werden, die im Datenfeld als noch nicht abgetastet markiert sind.

Bei der Abbildung eines Punktes (x, y) in das Datenfeld mit den Dimensionen xmax und ymax erfoigt für negative Koordinaten eine Transformation in einen positiven Koordinatenbereich, z. B. durch Bildung von x-max - lxl bzw. ymax - jyj.

Bei der erneuten Abtastung eines bereits im Datenfeld markierten Bereiches werden die Stati dieser Flache entsprechend den neuen Sensordaten aktualisiert. Hierdurch wird erreicht, daß aufgrund der Überlappung der Abtastbereiche und insbesondere, falls Hindernisse in bereits abgetastete Bereiche gestellt werden, die gespeicherte Information über die abgetastete Flache immer auf dem neuesten Stand ist.

Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung werden nur solche Positio- nen berücksichtigt, die im Datenfeld nicht als bereits abgetastet markiert sind. Dieses Kriterium stellt eine einfache aber effektive Möglichkeit dar, um die im Bereich von neuen Positionen jeweils noch nicht abgetasteten Flaches zu berücksichtigen : Wur- de eine Position seit ihrer Speicherung im Datenfeld inzwischen als bereits abgeta- stet markiert, so kann aufgrund der im allgemeinen kompakten Nahbereiche davon ausgegangen werden, daß auch die umgebene Flache schon abgetastet wurde.

Deshalb kann eine solche Position gelöscht werden, da sie nicht mehr angefahren werden muß.

Bei der Speicherung von neuen Positionen können verschiedene Prioritäten für die- se Positionen vergeben werden, abhängig z. B. von ihrer Lage und der Nähe zu an- deren Positionen. Bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung werden nur soiche Positionen berücksichtigt, deren Priorität diejenige einer bereits vorläufig im aktuellen Verfahrensschritt ausgewähiten neuen Position nicht unterschreitet.

Bei der Auswahl einer neuen Position werden nur solche Positionen berücksichtigt, die in einer bestimmten Teiifiäche liegen, und diese Teitftäche wird während des Ablaufs des Verfahrens modifiziert, falls innerhalb der aktuellen Teilfläche keine neue Position ausgewähit werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht eine indirekte Beeinflussung der Bewegung der Vorrichtung, um zum Beispiel zu erreichen, daß die Vorrichtung vorrangig zusammenhängende Flächenbereiche überstreicht.

Bei der Auswahl einer möglichen neuen Position kann der Abstand und die Richtung von der aktuellen Position als Bewertungsparameter berücksichtigt werden.

Darüber hinaus kann bei der Auswahl einer neuen Position für die Vorrichtung durch Auswertung des Datenfeldes sichergestellt werden, daß die neue Position von der Vorrichtung auf direktem Weg erreichbar ist, wobei nur Bereiche überfahren werden dürfen, die bereits abgetastet wurden und nicht als Hindernis markiert sind.

Ebenso ist es möglich, bei der Auswahl einer neuen Position die zurückgelegte Di- stanz seit Speicherung einer möglichen neuen Position zu berücksichtigen, um den Einfluß von mög ! ichem Schlupf zu begrenzen. Dies kann zum Beispiel dadurch ge- schehen, daß bei der Überprüfung der Erreichbarkeit einer Position im Datenfeld ein zusätzlicher Sicherheitsabstand an den Rändern der zu überfahrenden Strecke, dessen Breite von der zurückgelegten Distanz abhängt, als frei markiert sein muß.

Nach der Auswahl einer neuen Position durch Auswertung des Datenfeldes wird die kürzeste Route innerhalb der bereits abgetasteten Flache unter Umgehung von Hin- dernissen bestimmt und die Vorrichtung entlang dieser Route bewegt.

Die Vorrichtung kann auf beliebige vorherige Positionen zurückgesetzt werden und beim Zurücksetzen der Vorrichtung über mehrere vorherige Positionen können be- stimmte Zwischenpositionen übersprungen werden, falls eine Überprüfung im Da- tenfeld ergibt, daß die Vorrichtung während ihrer Bewegung keine als Hindernis mar- kierten Bereiche überfahren muß.

Falls ein unerwartetes Hindernis die Bewegung der Vorrichtung blockiert, ermittelt diese durch Abtastung mittels der Sensoren die Konturen des Hindernisses. Da wäh- rend der Bewegung der Vorrichtung i. a. keine erneute Abtastung der Wegstrecke erfolgt - denn hierbei werden nur Bereiche überfahren, die im Datenfeld als frei mar- kiert sind - kann die Vorrichtung durch das Versetzen von Gegenständen oder ggf. durch Schlupf an für sie unbekannte Hindernisse stoßen. In diesem Fall wird die Be-

wegung der Vorrichtung abgebrochen, der Nahbereich abgetastet um die gespei- cherte Umgebungsinformation upzudaten, und dann eine neue Position gewäh ! t.

Nach dem Anfahren einer neuen Position wird der neue Nahbereich durch Auswer- tung des Datenfeldes so bestimmt, daß nur eine geringe Überlappung mit bereits abgetasteten Nachbarbereichen auftritt.

Besonders vorteilhaft ist es für den Einsatz der Erfindung als Staubsauger, wenn während der Abtastung gleichzeitig die Bodenflache gereinigt wird.

Dazu kann die Abtastung durch einen beweglichen Arm so erfolgen, daß noch nicht abgetastete Flache immer zuerst vom vorderen Ende des Armes überstrichen wer- den. Bei Hinderniskontakt wird der Arm in geringst möglichem Abstand an detektier- ten Hindernissen entianggeführt. In besonders vorteilhafter Weise kann hierbei der Nahbereich um die Vorrichtung in Form eines Kreissektors gewählt werden, wobei die Abtastung durch wiederholte Links- und Rechtsdrehung der Vorrichtung mit je- weils vergrößerter Länge des Armes erfolgt. Um eine mehrfache Abtastung dersel- ben Hindernisse zu vermeiden, kann der Arm hierbei in Winkelbereichen von bereits detektierten Hindernissen entsprechend verkürzt werden.

Durch Auswertung der Information im Datenfeld wird sichergestellt, daß die Reini- gung der Bodenftäche nur in denjenigen Bereichen erfolgt, die im Datenfeld als noch nicht gereinigt markiert sind.

Eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung, die neben einer Saugeinrichtung selbstverständlich auch andere Reinigungseinrichtungen beispiels- weise zum Wischen, Dampfreinigen bzw. Sprühreinigen enthalten kann oder auch alternativ für andere Zwecke wie z. B. Rasenmähen, Objektsuche oder Kontrollauf- gaben eingesetzt werden kann, weist die folgenden kombinierbaren wesentlichen Merkmale auf : Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren An- triebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm ist dadurch gekennzeich- net, daß neben zwei angetriebenen Rädern ais dritter Aufiagepunkt das vordere un- tere Ende des Armes (Kopf) dient, das sich z. B. auf Walzen, Kugeln, Rädern oder Borsten abstützt.

Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren An- triebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm mit an dessen vorderen

Ende angeordnetem Kopf ist dadurch gekennzeichnet, daß am Kopf eine oder meh- rere rotierende Tellerbürste(n) angeordnet ist/sind.

Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren An- triebsrädern und Sensoren sowie einem ausfahrbaren Arm ist dadurch gekennzeich- net, daß am Arm Abstands- bzw. Kontaktsensoren zur Erfassung von Hindernissen angeordnet sind, die durch Bewegung des Armes und Drehung der Vorrichtung den Nahbereich überstreichen können und sowohl Hindernisse für die Bewegung des Armes detektieren als auch solche, welche nur für die Bewegung der Vorrichtung ein Hindernis darstellen.

Die Vorrichtung mit angetriebenen Rädern und Steuerrädern bzw. steuerbaren An- triebsrädern und Sensoren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe z. B. über Schneckengetriebe elastisch mit dem jeweiligen Rad verbunden sind, wobei die bei einer Blockierung des Saugers durch ein Hindernis auftretende Verschiebung der Antriebe detektiert wird. Durch diesen Mechanismus kann auf einen zusätzlichen äußeren Kontaktsensor, der die Vorrichtung vollständig umgeben müßte und der mechanisch aufwendig ist, verzichtet werden.

Zusätzliche vorteilhafte Ausprägungen der Vorrichtung werden durch die folgenden Merkmale beschrieben : Der Antrieb der Tei ! erbürste (n) erfoigt über eine verschiebbare Welle durch einen Getriebemotor, der auf der Saugergrundfiäche angebracht ist.

Jede Bürste ist mit einem dichten Kranz schräg nach außen geneigter weicher Bor- sten umgeben, um Staub von Möbetkanten zu entfernen und Beschädigungen zu vermeiden. Darüberhinaus kann jede Bürste schräg nach innen gerichtete Borsten aufweisen, die Schmutz vom Boden tosen, den Sauger stützen können, und zusätz- lich den Saugkopf an kleinen Stufen wie z. B. Teppichkanten anheben.

Falls mehrere Tellerbürsten Verwendung finden, können deren Achsen so angeord- net und angetrieben werden, daß die Bürsten den Schmutz in Richtung der Saugdü- se unterhalb des Kopfes befördern. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine an sich be- kannte Anordnung, siehe die deutsche Patenschrift 1057154, bei der die Bürsten über ein Planetengetriebe in Eigenrotation versetzt werden und gleichzeitig unterhalb des Kopfes kreisförmig umtaufen.

Spezielle Sensoren im Bereich des Kopfes detektieren Hindernisse für die Bewe- gung des Armes. Ein Sensor zu diesem Zweck kann vorteilhafter Weise so ausge- führt sein, daß um den Kopf des Armes herum in geringem gegenseitigen Abstand zwei elektrische Leiter angebracht sind, von denen der äußere bei Kontakt mit einem Hindernis eiastisch an den inneren herangedrückt wird und hierdurch einen elektri- schen Stromkreis schließt.

Andere Sensoren im Bereich des Kopfes detektieren Hindernisse für die Bewegung der Vorrichtung, die jedoch den Arm selbst nicht behindern. Zu diesem Zweck kann ein Abstandssensor, der z. B. durch Ultraschall oder mittels elektromagnetischer Wellen die lichte Höhe oberhalb des Kopfes mißt, eingesetzt werden. Zusätzlich kann ein Sensor, z. B. in Form eines mechanischen Tasters oder berührungslos, Stufen im Bodenbelag unterhalb des Kopfes erfassen, um so ein Kippen der Vor- richtung zu vermeiden. Der bewegliche Arm wird vorteilhafter Weise als Teleskoparm mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt, um im Einsatz als Sauger bei mög- lichst flacher Bauweise einen großen Querschnitt zur Führung des Luftstromes zu bieten.

Falls die Vorrichtung sich nicht auf dem vorderen Ende des ausfahrbaren Armes ab- stützt, ist es vorteilhaft, den Teleskoparm so auszuführen, daß er an seinem hinteren Ende um eine horizontale Achse drehbar bzw. vertikal beweglich gelagert ist, um guten Bodenkontakt des Kopfes zu garantieren. Auch in diesem Fall kann unterhalb des vorderen Endes des Armes eine zusätztiche Stütze mit integrierter Kugel zum Abrollen befestigt werden, die beliebige laterale Bewegungen gestattet.

Durch Gewichtsverlagerung kann der Aufsetzdruck des Kopfes variiert werden.

Nach dem Auslösen des Blockierungssensors wird die Vorrichtung vorteilhafter Wei- se soweit zurückgesetzt, bis der Sensor keine Blockierung mehr anzeigt. Anschlie- ßend erfotgt ein erneutes Vorsetzen allerdings mit reduzierter Geschwindigkeit, um so zwischen Pseudo- und echten Hindernissen zu unterscheiden. Hat der Sensor beim ersten Mal aufgrund eines reellen Hindernisses ausgehst, so wird er auch bei verringerter Geschwindigkeit erneut ansprechen. War die Ursache jedoch lediglich eine überwindbare Stufe im Bodenbelag, z. B. eine Teppichkante, oder ein erhöhter Reibungswiderstand der Bürste, so bewirkt die geringere Geschwindigkeit eine Re- duzierung der dynamisch wirkenden Kräfte und der Reibkräfte, so daß ein erneutes Auslösen unterbleibt.

Ausführungsbeispie ! Anhand eines Staubsaugers als beispielhafte Vorrichtung wird der Ablauf des erfin- dungsgemäßen Verfahrens näher ertäutert, wobei zum besseren Verständnis zuerst der Aufbau der Vorrichtung beschrieben wird. Das erfindungsgemäßeverfahren ist selbstverständlich unabhängig von der hier beschriebenen Vorrichtung und auch bei beliebig geeigneten Vorrichtungen anwendbar.

Die Abbildungen erläutern das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung, dabei zeigt : Abb. 1 : Ansicht des Saugers Abb. 2 : Aufsicht des Saugers Abb. 3: Längsschnitt des Saugkopfes Abb. 4 : Aufsicht des Saugkopfes Abb. 5 : Antrieb mit Blockierungssensor Abb. 6 : Wegsteuerung beim Sektorsaugen Abb. 7 : Sektorsaugbereich bei vorhandenen Hindernissen Abb. 8 : Aneinanderreihung von Sektorsaugbereichen Abb. 9 : Speicherung der gesaugten Bereiche Abb. 10: Gesamtflußdiagramm der Saugersteuerung Abb. 11: Flußdiagramm 'Saugen des voraus liegenden Sektors' Abb. 12: Flußdiagramm 'Saugerdrehung mit eventueller Armverkürzung' Abb. 13: Flußdiagramm ¹Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung' Abb. 14 : Hußdiagramm'Bestimmung einer neuen Saugerposition' Mechanischer Aufbau Antrieb und Bewegungskonzept Abb. 1 zeigt die Ansicht des Saugers während Abb. 2 die Aufsicht auf die unterste Ebene des Saugers mit abgenommenem Staubfänger darstellt.

Der Antrieb erfolgt mit zwei Schrittmotoren, die jeweils über ein Schneckengetriebe mit einer Untersetzung von ca. 1 : 30 ein Laufrad mit gummiummantelter Lauffläche

antreiben. Durch die Anordnung der Laufräder auf der Symmetrieachse der kreis- förmigen Grundfläche kann mittels der zwei Motoren sowohl der Vortrieb (gleiche Drehrichtung) als auch die Drehung um den Mitteipunkt des Saugers (entgegenge- setzte Drehrichtung) realisiert werden. Als dritter Auflagepunkt wird hierbei die Saug- bürste genutzt, die am vorderen Ende des ausfahrbaren Saugarmes befestigt ist.

Durch entsprechende Anordnung der relativ schweren Batterie, die sowoh) sämtliche Motoren als auch die Elektronik mit Energie versorgt, auf der Grundplatte, wird ge- währleistet, daß der Sauger ein geringes Übergewicht nach vorn aufweist, wodurch jederzeit eine stabile Auflage sichergestellt ist.

Durch dieses Konzept ergibt sich einerseits ein sehr einfacher mechanischer Aufbau, da kein zusätztiches Stützrad erforderlich ist, andererseits hat die Saugbürste so immer einen sicheren Kontakt zur Bodenftäche, unabhängig von Unebenheiten im Bodenbelag.

Ausfahrbarer Saugarm mit rotierender Bürste Ein wesentliches Konstruktionselement des Saugers bildet der ausfahrbare Saugarm, siehe Abb. 1 und 2, der auch den Zugang zu schwer zugänglichen Bo- denbereichen ermöglicht, z. B. unter Schränken oder in schmalen Nischen.

Der Saugarm weist einen rechteckigen Querschnitt auf und besteht im wesentlichen aus zwei teleskopartig ineinander gesteckten Hohlkörpern aus Kunststoff, durch die der Luftstrom geleitet wird.

Die Länge des Saugarms wird ebenfalls über einen Schrittmotor gesteuert, der eine am ausfahrbaren Innenteil vorne befestigte Zahnstange antreibt und eine exakte Po- sitionierung gestattet.

Am vorderen Ende des Armes ist eine rotierende Saugbürste angebracht, die über ein Schneckengetriebe in Rotation versetzt wird. Die Schnecke ihrerseits ist an einer Welle mit quadratischem Querschnitt befestigt auf der momentenschtüssig ein Ke- gelzahnrad gleiten kann. Durch ein entsprechendes Auflager auf der äußeren Seite sowie durch ein zweites Kegeirad innen im Winkel von 90° wird das Kegelrad auf der Grundplatte des Saugers axial fixiert. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die Bürste unabhängig von der aktuetten Länge des Saugarms gedreht werden kann.

Außerdem kann der Saugarm sehr flach aufgebaut sein, um ebenfalls den Boden unter niedrigen tvtöbeh zu reinigen. Als Antrieb für die Bürste wird ein handelsübli- cher Getriebemotor verwendet, mit dem eine Drehfrequenz der Bürste von ca. 0. 5 Hz eingestellt wird.

Die Reinigungswirkung wird dadurch erzielt, daß der Staub über die Bürste innerhalb des Saugarms durch den Luftstroms, der mittels eines ca. 50 W starken Elek- tromotors erzeugt wird, in den Auffangbehälter geleitet wird.

Die hohe Saugleistung entsteht zum Teil dadurch, daß die glattwandige und strö- mungsgünstige Luftführung nur wenig Turbulenzen und damit geringe Verluste ver- ursacht.

Eine zusätzliche, entscheidende Verbesserung des Reinigungseffektes bewirkt dabei die um ihre senkrechte Mittelachse rotierende Saugbürste, deren Längsschnitt in Abb. 3 dargestellt ist; die Schnittlinie B-B'kann Abb. 4 entnommen werden. Diese Bürste bündelt den Luftstrom und löst Staub sowie andere Fremdkörper mechanisch vom Boden, in weiten Grenzen unabhängig vom zu saugenden Bodenbelag.

Das sogenannte Burstenrad ist über eine Achse mit einem Zahnrad oberhalb des Saugarmes verbunden, in das die Schnecke, die am Ende der rechteckförmigen Welle befestigt ist, eingreift. Das Bürstenrad ist als Speichenrad ausgeführt, um den hindurchtretenden Luftstrom mögtichst wenig zu behindern.

Sämtliche Borsten sind am äußeren Rand des Bürstenrades befestigt, wobei die nach innen zur Achse geneigten Borsten relativ steif ausgeführt sind und einen ge- nügend großen gegenseitigen Abstand aufweisen, um zwischen ihnen den Luftstrom ungehindert hindurchtreten zu lassen ; diese Borsten stützen den Sauger nach vorn ab und bewirken, daß die nach außen geneigten, sehr weichen Borsten soeben den Bodenbelag berühren. Neben der hierdurch bewirkten Verringerung des Reibungs- widerstandes entsteht ein zusätzlicher Vorteil dadurch, daß die äußeren Borsten sehr dicht stehen und der Luftstrom nur durch den Spait zum Boden hindurchtreten kann, wodurch eine effektive radiale Düsenwirkung entsteht.

Optional für sehr weiche Bodenbe ! äge kann unterhalb des Bürstenrades, quasi als Verengerung von dessen Achse, eine zusätztiche Stütze aus Kunststoff befestigt werden, um das zu tiefe Einsinken des Saugkopfes zu verhindern. In diese Stütze ist zum Boden hin eine frei drehbare Rolikugel integriert, um den Reibungsverlust bei Bewegungen des Armes zu minimieren, siehe Abb. 3.

Die nach innen geneigten steiferen Borsten haben noch eine weitere wichtige Funk- tion, denn sie ermöglichen ebenfalls einen problemlosen Übergang beim Überfahren kleiner Stufen im Bodenbelag, z. B. an Teppichkanten. An diesen werden die äu- ßeren weichen Borsten bei Bewegungen des Saugarmes nach innen gedrückt, wo- bei der Saugkopf aufgrund der Borstenelastizität geringfügig angehoben wird. Die- ser Effekt wird durch die schräge Anordnung der inneren Stützborsten erheblich ver- stärkt, so daß der Saugarm über die Stufe hinweggleiten kann.

Der Bürstenwiderstand beim Bewegen des Saugers auf Teppich oder über Stufen hinweg wird auch ganz wesentlich durch die vertikale Drehung der Bürste verringert.

Die Drehfrequenz muß an die laterale Bewegungsgeschwindigkeit des Saugkopfes angepaßt werden muß, um den Saugkopf optimal abrollen zu lassen. Dieser Effekt ist aufgrund der Radialsymmetrie der Bürste unabhängig von der aktuellen Bewe- gungsrichtung des Saugers.

Gegenüber herkömmlichen Saugkopf- und -bürstenformen besteht bei der hier vor- gestellten Konstruktion ein großer Vorteil darin, daß gerade im direkten äußeren Umfeld des Saugkopfes, z. B. beim Saugen an Mobelkanten und Fußleisten, eine hohe Reinigungswirkung erzielt wird, wobei durch die weichen äußeren Borsten Be- schädigungen ausgeschlossen sind.

Insgesamt wird durch das Zusammenspiel all dieser Faktoren erreicht, daß trotz der aufgrund der Batterieversorgung notwendigerweise beschränkten Motorleistung die Saugwirkung erheblich besser ist, als bei herkömmlichen Bodenstaubsaugern mit wesentlich höheren elektrischen Anschlußwerten.

Orientierung des Saugers mittels Sensoren Die Orientierung des Saugers basiert auf der Berechnung der jeweils aktuellen Saugposition anhand des zurückgelegten Weges. Aufgrund der exakten Schritt- steuerung sowie des statistischen Auftretens etwaiger Positionierfehler kann hierbei eine Ortsgenauigkeit erreicht werden, die auch nach längeren, beim Saugen eines Zimmers zurückzutegenden Wegstrecken im Zusammenspiel mit den Sensoren völ- lig ausreichend ist.

Zum Erkennen von Hindernissen mit hoher Ortsauftösung tastet der Saugkopf durch die Drehung des Saugers und entsprechende Armveriängerung die vor dem Sauger

liegende Bodenftäche ab, siehe Kapitel " Saugen eines Sektors" . Hierbei ist durch die Kreissymmetrie des Saugers sichergestellt, daß bei Drehungen ausschließlich der Saugkopf auf Hindernisse treffen kann.

Insgesamt werden für diese Aufgabe drei Sensoren benötigt : Die wichtigste Funktion hat der mechanische Berührungssensor am Saugkopf, des- sen Aufbau Abb. 4 entnommen werden kann. Dieser Sensor dient dazu, bei Dreh- und Längsbewegungen des Armes das Auftreffen auf Hindernisse zu detektieren.

Er besteht im wesentlichen aus zwei Kunststoffstreifen, die den Saugkopf umgeben und durch zwei seitliche Distanzstücke auf einen gegenseitigen Abstand von weni- gen Millimetern gehalten werden. Während der innere Streifen fest mit dem Saug- kopf verbunden ist, wird der äußere Streifen tedigiich über die Distanzstücke gehal- ten und besteht aus sehr dünnem elastischem Kunststoff, um eine weiche Federwir- kung zu erzielen.

Die zueinander gewandten Innenseiten beider Streifen sind mit einem teitfähigen Material beschichtet und über Anschlußdrähte mit der Elektronik verbunden. Im Normalzustand sind diese als Kontakte wirkenden Flaches durch die isolierenden Distanzstücke sowie die Luft elektrisch voneinander isoliert. Trifft der Saugkopf je- doch auf ein Hindernis wird der äußere Streifen an den inneren herangedrückt, so daß sich der elektrische Stromkreis schließt ; die Richtung, aus der das Hindernis auftrifft, ist hierbei unbedeutend.

Die beiden Wulste an beiden Seiten des Saugkopfes dienen dazu, um auch exakt seitliche Berührungen bei Drehungen des Saugers sicher detektieren zu können.

Diese Wulste übertragen seitlichen Druck auf den äußeren elastischen Streifen, der daraufhin gegen den inneren Streifen gedrückt wird.

Abb. 1 ist zu entnehmen, daß der Berührungssensor die gesamt Höhe des Saugkop- fes umfaßt und ebenfalls weit nach unten geführt ist, um dadurch mögliche Hinder- nisse, welche die Bewegung des Saugkopfes btockieren können, zu erfassen.

Obwohl der Berührungssensor nicht in der Lage ist, die Richtung, in der ein Hinder- nis liegt, direkt zu bestimmen, kann diese Information jedoch immer dadurch gewon- nen werden, daß die Bewegungsrichtung des Saugkopfes bekannt ist.

Der zweite sehr wichtige Sensor ist der sogenannte Höhensensor an der oberen, vorderen Kante des Saugkopfes, siehe Abb. 3 und 4. Dieser Sensor hat die Aufga-

be, Hindernisse zu detektieren, die zwar den Saugarm und -kopf nicht behindern, deren lichte Höhe jedoch nicht ausreicht, damit der gesamte Sauger diese Stelle passieren kann.

Für diesen Zweck wird ein handelsüblicher Infrarot-Abstandssensor verwendet, des- sen Austöseabstand genau auf die Höhe des Saugers abzüglich der Saugkopfhöhe eingestellt wird. Dieser Sensor weist eine hohe laterale Genauigkeit auf, so daß auch bei Hindernissen im vertikalen Abstand von ca. 30 cm eine taterate Ortsauftösung von wenigen Zentimetern erreicht wird.

Als dritter Sensor ist ein sogenannter Stufensensor vorgesehen, siehe Abb. 3, um größere Versetzungen des Bodenbelages z. B. an Treppen zu erkennen und hier- durch ein Kippen des Saugers zu verhindern.

Dieser Sensor besteht aus einem empfindlichen Taster, der knapp hinter dem Saug- kopf an der unteren Kante des Saugarms befestigt ist, wobei auf ebenen Flaches der Sensor einen Abstand von ca. 1 cm vom Boden hat.

Wird der Saugkopf über eine Stufe bewegt mit einem vertikalen Versatz nach unten, der mindestens dem Abstand des Sensors vom Boden entspricht, setzt der Saugarm mit dem Taster auf, wodurch der Sensor auslöst.

Die bisher beschriebenen Sensoren sind ausreichend, um den Sauger mittels des im Abschnitt"Automatische Steuerung des Saugers"beschriebenen Verfahrens im Normalfall eindeutig manövrieren zu können.

Dennoch kann durch das Verrücken von Gegenständen in bereits gesaugte Bereiche nicht ausgeschlossen werden, daß der Sauger während seiner Bewegung auf Hin- dernisse stößt.

Um auch in diesem Fall dem Steuerprogramm ein Hindernis anzeigen zu können, ist die Kraftübertragung von den Schrittmotoren auf die beiden Antriebsräder mit jeweils einem mechanischen Blockierungssensor ausgestattet.

Um die Funktion des Blockierungssensors zu verdeutlichen, ist in Abb. 5 einer der beiden Antriebe im Detail dargestellt, siehe Schnittlinie A-A' in Abb. 2 : Das Ritzel des Schrittmotors überträgt dessen Moment auf ein Zahnrad, das wiederum ein Schnek- kengetriebe antreibt. Die Welle, auf der das Zahnrad sowie die Schnecke befestigt sind, ist hierbei durch Achsringe mit der Antriebshalterung verbunden, so daß keine axiale Verschiebung der Welle gegen die Halterung möglich ist und deshalb die Dre-

hung der Antriebswelle durch das Schneckengetriebe in die Drehung des Laufrades übertragen wird.

Diese Antriebseinheit wirkt jedoch nicht als starres System, da die gemeinsame La- gerung der Welle und des Schrittmotors aus elastischen Material besteht, welches geringfügige axiale Verschiebungen der Antriebswelle zuläßt, falls während der Mo- tordrehung eine Blockierung des Saugers auftritt.

Diese Verschiebung der Lagerung schließt entsprechend Abb. 5 einen elektrischen Kontakt, der von der Steuerelektronik ausgewertet wird.

Die vorgestellte Realisierung eines Blockierungssensors weist den Vorteil gegenüber steifen Systemen auf, daß bei Auftreten einer ptötziichen Blockierung des Saugers keine großen Kräfte wirken, die eventuell zu Beschädigungen führen, sondern daß aufgrund der Etastizität der Lagerung eine allmähliche Erhöhung der Antriebskraft an der Welle einsetzt, bis der Blockierungssensor auslöst.

Duch Veranderung der Steifigkeit der Lagerung kann die Etastizität des Antriebs individuell an das Gewicht des Saugers und die dynamisch wirkenden Kräfte ange- paßt werden.

Automatische Steuerung des Saugers Darstellung des Steuerprinzips Die Steuerung des Saugers erfolgt derart, daß ausgehend vom aktuellen Standort und in Bezug auf die jeweils vorherige Laufrichtung ein Sektor von maximal 900 mäanderförmig gesaugt wird, siehe Abb. 6 : Zuerst dreht der Sauger in die linke Ma- ximalstellung. Dann erfolgt eine Drehung maximal nach rechts, eine Verengerung des Saugarmes um den Saugkopfdurchmesser, und anschießend die Rückdrehung in die linke Maximalstellung. Dieser Bewegungsvorgang wird solange wiederholt, bis der Saugarm seine endgültige Länge erreicht hat, worauf er dann, anschließend an die letzte Drehung nach rechts, vollständig zurückgezogen wird.

Die beschriebene Bewegungssteuerung wird automatisch angepaßt, falls Hinder- nisse während der Drehung oder Armbewegung auftreten, siehe Abschnitt"Saugen eines Sektors". In Abb. 7 ist ein eingeschränkter Sektorbereich dargestellt, der vom

Saugkopf überstrichen werden kann, falls Gegenstände die Bewegung behindern.

Hierdurch können sogenannte Saugschatten entstehen, die der Saugkopf durch die Blockierung der Drehung des Saugarmes nicht erreichen kann.

Neben diesen Saugschatten werden auch andere freie Randbereiche des aktuell gesaugten Sektors markiert, siehe nächster Abschnitt, und damit als potentielle neue Saugerpositionen gekennzeichnet. Aus der Gesamtheit dieser Positionen wird nach Beendigung des Sektorsaugens die jeweils nächste Saugposition ausgewähtt und angefahren, siehe"Bestimmung einer neuen Saugerposition".

In Abbildung 8 ist am Beispiel einer Zimmerecke dargestellt, wie durch Aneinander- reihung einzelner Sektorsaugbereiche Dächen be) iebiger Umrandung verständig gesaugt werden können (In diesem Bsp. haben alle Sektoren den maximalen Off- nungswinkel von 180°). Durch Überlappung der Sektoren werden hierbei einige Be- reiche mehrfach gesaugt, was die Reinigungswirkung zusätztich erhöht und mögliche Positionierungsungenauigkeiten des Saugers ausgleicht.

Zur Vergrößerung der Reichweite mit einer Akku-Ladung wird der Saugermotor, der den größten Verbraucher darstellt, nur während des Sektorsaugens eingeschaltet, und nicht, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wird.

Markierung der gesaugten Bereiche Zur globalen Orientierung des Saugers wird die gesamte zu saugende Flache in ei- nen elektronischen Datenspeicher, das sogenannte Saugfeld, abgebildet und hierin die verschiedenen Stati, die einem Fitichenelement zugeordnet werden können, markiert. Diese zweidimensionale Information wird verwendet, um neue Saugpositio- nen zu kennzeichnen, den Weg dorthin zu bestimmen sowie zur Festlegung des Sektorbereiches.

Folgende vier Stati werden unterschieden : Status 0: 'ungesaugt' Dieser Status ist der Defaultwert im Saugfeld beim Start des Sau- gers und wird überschrieben, sobald der Saugkopf die entspre- chende Stelle erstmals überstrichen hat.

Status 1 :'gesaugt' Diesen Status erhalten alle Felder des Saugfeldes, die bereits vom Saugkopf überstrichen wurden und die kein Hindernis für die Bewe- gung des Saugers darstellen.

* Status 2 :'Hindernis' Dieser Status dient zur Kennzeichnung von Hindernissen, die von den Sensoren erkannt wurden. Ein mit diesem Status versehenes Feld kann vom Sauger bei der Einnahme einer neuen Saugposition nicht überfahren werden.

Status 3: 'Mögliche neue Saugposition' Mit diesem Status wird während des Saugens eines Sektors ein Randfeld, das vorher den Status 0 haben muß, ais mögtiche neue Saugposition gekennzeichnet. Wird der Bereich später vom Saug- kopf überstrichen, erhält das Feld den Status 1 bzw. 2. Bei der Überprüfung einer möglichen neuen Saugposition zeigt der Status 3 an, daß der entsprechende Bereich bisher noch nicht gesaugt wur- de.

Zur Abbildung der realen, zu saugenden Flache auf das Saugfeld wird ein zweidi- mensionales Raster verwendet. Hierbei entspricht die Ortsauftösung in x- und y- Richtung jeweils einem Zentimeter und ist damit für die Detektionsgenauigkeit der Sensoren hinreichend genau. Da für die vier verschiedenen Stati nur zwei Bit benö- tigt werden, ist es möglich, mit dieser Auf ! ösung eine Flache von 10x10 m2 in einen Speicherbereich von nur 250 kByte abzubilden.

Ein mögliches Problem bei der Minimierung des Speicherbedarfes entsteht dadurch, daß zu Beginn des Saugvorganges der Sauger an einer beliebigen Stelle eines Raumes gestartet wird. Ausgehend von diesem Ursprung können für x und y sowohl positive als auch negative Koordinatenwerte auftreten, wobei letztere nicht direkt in das Saugfeld übernommen werden können. Zur Lösung dieses Problems wird eine Koordinatentransformation vorgenommen, siehe Abb. 9 : Jeder negative Wert für x bzw. y wird abgebildet auf xmaX - Ixl bzw Ymax ~ IYI, wobei xmaX und Ymax die festgelegten maximalen Dimensionen des Saugfeldes für x und y angeben, die den Bewegungsbereich des Saugers begrenzen. Durch die Transfor-

mation werden Feldbereiche, bei denen mindestens eine Koordinate negativ ist, ent- sprechend versetzt im Saugfeld abgebildet.

Während der Bewegungssteuerung wird überwacht, daß die Summe aus der maxi- malen positiven und negativen Saugdistanz vom Ursprung in x- und y-Richtung je- weils die vorgegebenen Werte für xmaX bzw. Ymax nicht überschreitet. Andernfalls wird der Programmablauf mit einer entsprechenden Fehlermeldung unterbrochen.

Da der Saugkopf sich quasi kontinuierlich bewegt, werden neue Stati im Saugfeld immer dann gesetzt, nachdem eine Strecke von 1 cm zurückgelegt wurde. Hierbei werden jeweils die Felder unterhalb des Außenradius'vom Saugkopf, halbkreisför- mig bezüglich der jeweiligen Bewegungsrichtung des Kopfes berücksichtigt.

Eine Ausnahme von dieser Markierungsregel gilt für den Höhen- und Stufensensor : Falls diese Sensoren ein Hindernis melden, wird nur das Feld im Saugfeld, das ge- nau unterhalb des entsprechenden Sensors liegt, gekennzeichnet.

Beschreibung des Steuerverfahrens In den nachfolgend beschriebenen Fiußdiagrammen wird für die Darstellung folgen- de Notation verwendet : Start und Ende bzw. Rücksprung in das vorhergehende Dia- gramm sind durch Kreise gekennzeichnet. Rechtecke symbolisieren jeweils eine Ak- tion, wobei schattierte Symbole darauf hinweisen, daß die entsprechende Aktion in einem separaten Diagramm detailliert wird. Sechsecke mit zwei seitlichen Spitzen stehen jeweils für eine Entscheidung mit den beiden Möglichkeiten 'ja' oder 'nein'.

Das Gesamtfiußdiagramm für die Saugersteuerung ist in Abb. 10 dargestellt.

Zu Beginn des Saugvorganges und immer dann, wenn eine neue Saugerposition eingenommen wurde, wird die aktuelle Saugerposition gespeichert. Zur eindeutigen Lokalisierung werden hierzu die x- und y-Koordinate des Saugermittelpunktes, die Länge des Saugarmes sowie der Winkel, den der Saugarm bezogen auf die x-Achse einnimmt, benötigt.

Anschießend wird die optimale Größe des zu saugenden Sektors innerhalb der ma- ximalen Grenzen des Winkels von 90° (ausgehend von der vorherigen Laufrichtung des Saugers) sowie der maximal moglichen Lange des Saugarmes Rmax bestimmt.

Dazu wird im Saugfeld überprüft, welche Punkte noch den Status 0, d. h. ungesaugt,

aufweisen. Der Bereich, in dem diese Punkte liegen, wird durch den linken sowie rechten Grenzwinke) W) und Wr sowie den Außen- und Innenradius Ra und Rj ein- deutig gekennzeichnet, wobei R ; immer der konstanten Armtänge im eingefahrenen Zustand entspricht.

Im nächsten Schritt wird der ermittelte Sektorbereich gesaugt, siehe Abschnitt"Sau- gen eines Sekfors", einschließlich einer entsprechenden Hindernisbehandlung.

Sämtliche überstrichenen Bereiche werden im Saugfeld mit dem Status 1 bzw. bei Detektion eines Hindernisses mit Status 2 markiert.

Nun werden neue Saugkopfpositionen (Tasks) als mögliche Startpunkte für neue Saugsektoren an den freien äußeren Rändern des gesaugten Bereiches, die durch den Status 0 gekennzeichnet sind, im Saugfeld mit dem Status 3 markiert. Zusätztich zu dieser Markierung erfolgt die Speicherung jeder Task mit ihren Koordinaten, ihrer Priorität sowie der jeweils neuen optimalen Saugrichtung (senkrecht zum jeweiligen Rand) in der Liste der noch offenen Tasks.

Falls der Sauger nach Wl bzw. Wr gedreht werden konnte sowie an den Saugschat- ten hinter Hindernissen, werden die Ecken als mögliche neue Saugpositionen ge- kennzeichnet. Außer den seittichen Rändern wird die Mitte jedes freien Randberei- ches (gekennzeichnet dadurch, daß der Arm bis auf Ra ohne Hinderniskontakt aus- gefahren werden konnte) markiert. Zur Erhöhung der Anzahi mögticher Saugpositio- nen werden in größeren freien Randbereichen neben der Mitte noch zusätzliche Randpunkte markiert und gespeichert, allerdings mit der niedrigeren Priorität 2. In Abb. 6 sind die mög ! ichen neuen Saugpositionen für den Fall eines Sektors ohne und in Abb. 7 mit Hindernissen als schwarze- (Prio 1) bzw. weiße Pfeite (Prio 2) dar- gestellt, wobei die Pfeilspitzen die jeweils neuen Saug-richtungen angeben.

Die aktuelle Saugkopfposition, von der aus der letzte Sektor gesaugt wurde, wird nun aus der Liste der noch offenen Tasks getöscht.

Anschießend wird aus der Gesamtheit der gespeicherten Tasks die Saugposition für das nächste Sektorsaugen bestimmt und der Sauger mit seinem Kopf an diese Stelle bewegt, siehe Abschnitt"Bestimmung der nachsten Saugerposition".

Konnte keine neue Saugerposition ermittelt und angefahren werden, so wird der Saugvorgang beendet, andernfalls mit dem Speichern der neuen Saugerposition, wie anfangs beschrieben, fortgesetzt.

Saugen eines Sektors Beim Saugens des jeweils aktuellen Sektors, dessen Grenzen nach dem Anfahren einer neuen Position bestimmt wurden, ermög ! icht die im folgenden beschriebene, wegoptimierte Steuerung des Saugkopfes die exakte Abtastung der Konturen belie- biger Gegenstände, welche die Bewegung des Saugarmes behindern.

Werden während des Sektorsaugens keine Hindernisse detektiert, so erfolgt die Be- wegung des Saugkopfes wie in Bild 6 dargestellt. Falls der Saugkopf jedoch bei Dre- hungen oder Längenänderungen auf ein Hindernis stößt, wird er in engem Kontakt an diesem entlanggeführt.

Um den Saugkopf um bereits bekannte Hindernisse herumführen zu können und dadurch eine Doppeldetektion zu vermeiden, wird das sogenannte Winkelfeld ver- wendet, das vor jedem Sektorsaugen neu initialisiert wird und dazu dient, den jeweils maxima) mögtichen Radius für jeden Winkel des Sektors zu speichern.

Zu Beginn des Sektorsaugens wird der Sollradius Rs, der die Referenziänge für den Saugarm angibt und nach jeden Schwenkvorgang inkrementiert wird, auf den inne- ren Radius Rj gesetzt, den der Saugarm im eingefahrenen Zustand einnimmt.

Nun wird der Saugarm auf die linke Sektorgrenze Wl gedreht, maximal jedoch bis zum Auftreffen auf ein Hindernis ; dann wird die Drehrichtung umgepolt.

Anschließend erfolgt die Drehung des Saugers in die aktuelle Richtung mit eventuel- ler Verkürzung der Armiänge, siehe nächster Abschnitt und Bild 12. Hierbei wird, falls der ermittelte Endwinkel aufgrund eines Hindernisses nicht direkt angedreht werden kann, durch schrittweise Verkürzung der Armtänge während der Abtastung der Randkontur des Hindernisses versucht, die Drehung fortzusetzen.

Die Drehung wird beendet, sobald der Saugarm den Endwinkel erreicht bzw. nach einer erforderlichen Armverkürzung frei um den nächsten Schritt gedreht werden kann, da dann der Arm erst erneut verlängert werden muß, um der Kontur des Hin- dernisses zu folgen.

Danach wird kontrolliert, ob nach Abschluß des Drehvorganges die entsprechende Sektorgrenze erreicht werden konnte bzw. ob sämt ! iche Winket bis zur Sektorgrenze im mit einem Radius kleiner dem aktuellen Sollradius markiert sind. Nur wenn min- destens eine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird die Drehrichtung umgepolt, Rs um

den Durchmesser des Saugkopfes vergrößert und überprüft, ob Rs den vorher be- stimmten Auf3enradius Ra ubersteigt. Da in diesem Fall der äußere Rand des Sek- tors erreicht wurde, wird der Saugmotor gestoppt, der Saugarm wieder auf Rj einge- fahren. und der Saugvorgang wie in Bi) d 10 und Abschnitt"Beschreibung des Steu- erverfahrens"beschrieben fortgesetzt.

Wenn diese Abbruchbedingung nicht zutrifft wird anschließend versucht, den Saug- arm auf Rs auszufahren, siehe Abschnitt"Armverlangerung mit eventueller Sauger- drehung"und Bild 13. Hierbei wird im Fall eines Hinderniskontaktes die Drehung schrittweise in die aktuelle Richtung fortgesetzt und dann jeweils erneut versucht, Rs zu erreichen.

Dieses Makro endet bei Erreichung von Rs bzw. wenn die Auswertung des Winkel- feldes ergibt, daß in Drehrichtung alle zugänglichen Bereiche bereits gesaugt wur- den.

Danach erfolgt der Rücksprung zum Makro, Saugerdrehung mit eventueller Armver- kürzung", siehe oben.

Saugerdrehung mit eventuellerArmverkürzung Entsprechend Abb. 12 wird zuerst der Endwinkel der Drehung berechnet, der i. A. ungleich dem linken bzw. rechten Randwinke ! Wj bzw. Wr ist. Dazu wird überprüft, ob bei einem vorherigen Schwenk in diese Richtung mit kürzerer Armtänge bereits ein Hindernis detektiert wurde. In diesem Fat ! würde ein zu großer Drehwinkel bewir- ken, daß der Saugarm erneut an das bereits bekannte Hindernis stößt, allerdings nicht mit dem Saugkopf und dem daran befestigten Berührungssensor, sondern weiter hinten. Das Hindernis könnte dann nur mittels des Blockierungssensors de- tektiert werden, der allerdings erst bei deutlich größeren Andruckkräften als der Be- rührungssensor auslöst und für diese Anwendung auch nicht vorgesehen ist (siehe "Orientierung des Saugers mittels Sensoren").

Wurde nach Abschluß der Drehung die Sektorgrenze Wl bzw. Wr erreicht, d. h. es trat kein Hindernis auf, erfolgt der sofortige Rücksprung in Abb. 11, siehe vorheriger Abschnitt. Der Rücksprung erfolgt ebenfalls, wenn der Drehstop aufgrund eines be- kannten Hindernisses erfolgte, das sich bis zur Sektorgrenze erstreckt, da dann eine Fortsetzung der Drehung mit dem aktuellen Sollradius hinter dem Hindernis nicht mögfich ist.

Wenn beide Bedingungen nicht zutreffen, wird der Saugkopf um 1 cm zurückgedreht und der Arm anschießend zurückgezogen, wobei zwei Faille unterschieden werden : Falls ein bekanntes aber umgehbares Hindernis vorliegt, d. h. die Drehung kann da- hinter rnit Sollradius fortgesetzt werden, wird der Arm weit genug eingezogen und vor dem Hindernis entlanggedreht. Danach erfolgt der Rücksprung in das vorherige Ftußdiagramm.

Falls hingegen das Hindernis mit dem aktuellen Sollradius erstmalig detektiert wurde, muß dessen Kontur exakt abgetastet werden, um die Kante optimal saugen zu kön- nen. Deshalb wird in diesem Fall die Armtänge iedigiich um 1 cm verringert, und an- schließend versucht, den Kopf um eine halbe Kopfbreite weiterzudrehen (Die Sek- torgrenzen bilden hierbei jedoch eine absolute Grenze).

Die Radien des Saugarmes im überstrichene Winkelbereich werden anschließend im Winkelfeld gespeichert.

Konnte der Saugarm um die halbe Kopfbreite ohne erneuten Hinderniskontakt ge- dreht werden oder wurde die jeweilige Sektorgrenze erreicht, wird in Bild 11 zurück- gesprungen. Melden die Sensoren jedoch ein neues Hindernis, wird wiederum auf Fortsetzung geprüft, wie weiter oben beschrieben.

Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung Zunächst wird entsprechend Abb. 13 versucht, den Saugarm auf den aktuellen Soll- winkel Rs auszufahren. Hierbei wird nach Abschluf3 der Armverlangerung der Arm gegen die aktuelle Drehrichtung um maximale eine halbe Kopfbreite bis zum Hinder- niskontakt zurückgeschwenkt. Da bei der Umgehung eines Hindernisses die Vor- wärtsdrehung in Vielfachen des halben Kopfdurchmessers erfolgt, ist die Rückdre- hung erforderlich, um sicherzustellen, daß die Kontur des zu umgehenden Hinder- nisses exakt abgetastet wird. Die Rückdrehung muß allerdings nur dann ausgeführt werden, falls vorher kein Drehrichtungswechsel erfotgte und wird auch nur dann durchgeführt, wenn der Saugarm um eine bestimmte tvtindesttänge ausgefahren werden konnte.

Anschließend wird überprüft, ob der Sollradius erreicht wurde oder ob im Winkelfeld bereits alle folgenden Winkel in Drehrichtung mit einem Radius kleiner ats Rg mar-

kiert sind und damit ein bekanntes Hindernis bis zur Sektorgrenze anzeigen. In bei- den Fällen erfolgt der Rücksprung in Bild 11.

Liegt in Drehrichtung ein bekanntes Hindernis, daß allerdings nicht bis zur Sektor- grenze reicht, wird der Saugarm anschließend soweit wie nötig eingezogen, am Hin- dernis vorbeigedreht und anschießend wieder versucht, zu verlängern.

Andernfalls wird der Saugarm etwas zurückgezogen, bis vom Sensor kein Hindernis mehr detektiert wird, und um eine halbe Kopfbreite weitergedreht. Wenn aufgrund eines Hindernisses keine Drehung mögtich war, erfolgt der Rücksprung in Abb. 11.

Konnte der Arm zumindest geringfügig gedreht werden, wird der überstrichene Be- reich im Winkelfeld mit den jeweiligen Radien gekennzeichnet, und es erfolgt der Rücksprung zur Verlängerung des Saugarmes wie anfangs beschrieben.

Bestimmung der nachsten Saugerposition Das Grundprinzip zur Ermittlung der neuen Saugerposition besteht darin, aus der Gesamtheit der insgesamt noch offenen Tasks durch Bewertung verschiedener Kri- terien die vom aktuellen Standort jeweils optimale Task herauszufiltern. Wird vom aktuellen Standort aus keine neue Task gefunden, werden anschließend der Reihe nach die vorherigen Saugerpositionen untersucht. Kann von einer dieser alten Posi- tionen eine neue Saugposition ermittelt werden, so wird der Sauger auf diese Positi- on zurückgeführt und von hier aus die neue Position angefahren.

Zu Beginn des Fiußdiagramms in Abb. 14 wird die Testpostion auf die aktuelle Sau- gerposition gesetzt. Anschießend werden sämtliche gespeicherten Tasks durchlau- fen und überprüft, ob sie als mögliche Fortsetzungen in Frage kommen.

Folgende Bewertungen in der aufgeführten Reihenfolge werden hierbei durchgeführt : Zuerst wird anhand des Status' im Saugfeld überprüft, ob die gespeicherte Position bereits gesaugt wurde. In diesem Fall wird die entsprechende Task verworfen und gelöscht.

Wurde bereits ein möglicher Kandidat für die nächste Position ermittelt, werden nur noch solche Tasks bewertet, die mindestens dieselbe Priorität aufweisen, vgl. Ab- schnitt " Beschreibung des Steuerveffahrens" .

Ist diese Bedingung erfullt, wird anschießend die Entfernung der Task von der aktu- ellen Testposition berechnet und anhand der Stati im Saugfeld überprüft, ob der Sauger mit seinem Kopf auf geradlinigem Weg zu dieser Position bewegt werden kann. Dazu muß der gesamte vorri Sauger zurückzulegende Weg mit dem Status 1 markiert sein und die Task zumindest durch das Ausfahren des Saugarmes erreicht werden können.

Von allen Positionen, die angefahren werden können, wird diejenige gewählt, deren Priorität entweder höher ist als die bisher gewähtte, oder die bei gteicher Priorität den größeren x-Koordinatenwert aufweist. Durch dieses Kriterium ist sichergestellt, daß die zu saugende Flache immer von hinten nach vorn gesaugt wird.

Konnte nach Uberprufung samtlicher gespeicherter Tasks keine anfahrbare Position ermittelt werden, wird die Testposition auf die jeweils vorherige Saugerposition ge- setzt und von dort wiederum eine Schleife über alle Tasks durchlaufen.

Falls von keiner der früheren Saugerpositionen eine Fortsetzung mehr möglich ist, entweder weil bereits alle Tasks bearbeitet wurden oder weil die noch offenen Tasks vom Sauger nicht erreicht werden können, bricht der Saugvorgang ab.

Andernfalls wird überprüft, ob die Testposition, von der aus eine Task gefunden wur- de, gleich der aktuellen Saugerposition ist. Während in diesem Fall die neue Position nach Drehung des Saugers in die entsprechende Richtung direkt angefahren werden kann, muß in alien anderen Fällen der Sauger zuerst auf die Testposition zurückge- setzt werden.

Hierbei wird bei mehreren auszuführenden Rücksetzoperationen eine Wegoptimie- rung durchgeführt, indem für jede Zwischenposition überprüft wird, ob sie über- sprungen und der Sauger eventuell direkt von seiner aktuellen- auf diejenige Position zurückgefahren werden kann, von der aus anschließend die neue Saugerposition angenommen wird. Bedingung für eine mögiiche'Abkürzung'ist wiederum, daß der Sauger nur Bereiche überfahren darf, die im Saugfeld mit dem Status 1 markiert sind, um Kollisionen mit Hindernissen zu vermeiden.

Abbildungen Abb. 1 : Ansicht des Saugers Abb. 2 : Aufsicht des Saugers Abb. 3 : Längsschnitt des Saugkopfes Abb. 4: Aufsicht des Saugkopfes Abb. 5: Antrieb mit Blockierungssensor Abb. 6: Wegsteuerung beim Sektorsaugen Abb. 7: Sektorsaugbereich bei vorhandenen Hindernissen Abb. 8: Aneinanderreihung von Sektorsaugbereichen Abb. 9: Speicherung der gesaugten Bereiche Abb. 10: Gesamtflußdiagramm der Saugersteuerung Abb. 11 : Hußdiagramm'Saugen des voraus liegenden Sektors' Abb. 12 : Ftußdiagramm'Saugerdrehung mit eventueller Armverkürzung' Abb. 13: Flußdiagramm 'Armverlängerung mit eventueller Saugerdrehung' Abb. 14: Flußdiagramm 'Bestimmung einer neuen Saugerposition'