DE69615789T2

DE69615789T2 - System zur Ermittlung von Grenzlinien für einen automatisierten Roboter

Info

Publication number: DE69615789T2
Application number: DE69615789T
Authority: DE
Inventors: Shai Abramson; Gideon Dror; Ehud Peless
Original assignee: Friendly Robotics Ltd
Current assignee: Friendly Robotics Ltd
Priority date: 1995-11-07
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: EP0774702B1; DE69615789D1; EP0774702A2; EP0774702A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Navigation in einem umschlossenen Bereich. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, eine automatische Vorrichtung dazu zu veranlassen, sich in einem umschlossenen Bereich zu bewegen und vorbestimmte Aufgaben auszuführen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Verwendung automatischer Vorrichtungen ist heute weitverbreitet, und sie werden in zahllosen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise führen Roboter sehr genaue und sensible Aufgaben in der Medizin, im Flugwesen und bei der Konstruktion von elektronischen Einrichtungen aus. Mobile Roboter werden ferner beispielsweise in automatischen Lagerhäusern verwendet, wo Waren mit Hilfe von computerbetätigten Robotern geholt und gelagert werden.
Weitere Anwendung umfassen das Herbeischaffen von Rohstoffen im Verlauf industrieller Herstellung und das Entnehmen und Verpacken von fertigen Teilen. Im täglichen Leben wird außerdem versucht, Roboter zum Rasenmähen und Staubsaugen zu nutzen.
Der Hauptnachteil von mobilen Robotern, der im Stand der Technik bisher nicht überwunden werden konnte, ist die Tatsache, daß ihre Bewegungen auf genau vordefinierte Bahnen begrenzt sind, was normalerweise erfordert, daß sie sich entlang von Schienen bewegen oder daß sie mit teuren Navigationszeichen versehen sind, die in dem Bereich positioniert sind, in dem sie sich bewegen, und die als "Stationen" dienen, die die genaue Position des Roboters neu definieren und von denen aus das Programm den Roboter zur nächsten Station lenken kann. Diese Zwischenzeichen sind teuer, benötigen Platz und sind im Gebrauch unzweckmäßig, da sie sehr genau positioniert werden müssen und nicht leicht bewegt werden können.
Eine andere Vorgehensweise umfaßt das Vorsehen eines Bereichs, der von Begrenzungen, die für den Roboter erkennbar sind, begrenzt ist und zuläßt, daß der Roboter eine Zufallsbewegung darin ausführt, während welcher er seine Aufgaben erfüllt.
Diese Vorgehensweise hat große Nachteile; erstens gibt es keine Möglichkeit sicherzustellen, daß der Gesamtbereich von dem im Gebrauch befindlichen Werkzeug abgedeckt wird, wenn der Roboter innerhalb eines vordefinierten Bereichs eine Zufallsbewegung ausführt. Infolgedessen können am Ende des Vorgangs unbearbeitete Bereiche zurückbleiben, obwohl der Roboter möglicherweise über lange Zeit arbeitet.
Zweitens kann dann, wenn der zu bearbeitende Bereich unregelmäßig ist oder "Inseln", d. h. Bereiche, die nicht bearbeitet werden dürfen, aufweist, die Zufallsbewegung zu einem mangelhaften Betrieb um solche Inseln herum sowie an den Orten führen, an denen der Umkreis von unregelmäßiger Gestalt ist.
Drittens ist es erforderlich, da der Betrieb des Roboters nicht so programmiert ist, daß ein vorbestimmtes Bearbeitungsgebiet erhalten wird, es zuzulassen, daß sich die Zufallsbewegung über einen langen Zeitraum fortsetzt, um die Chancen zu erhöhen, daß ein Hauptbereich des zu bearbeitenden Bereichs abgedeckt wird. Dies erhöht nicht nur den Energieverbrauch, sondern führt auch zu einem erhöhten Verschleiß des Geräts und kann außerdem beispielsweise aufgrund von Lärm oder anderer durch den Betrieb des Roboters verursachter Verschmutzung in bezug auf die Umwelt unerwünscht sein.
Selbst wenn der Roboter mit Sonnenenergie betrieben wird, werden die wenigsten der obengenannten Probleme überwunden, und es bestehen zusätzliche Probleme, die mit einer solchen Betriebsweise zusammenhängen.
Beispielsweise kann es sein, daß der Roboter in Gebieten der Welt, wo die Sonnenstrahlung selten oder gering ist, nicht ordnungsgemäß arbeitet und über erhebliche Teile des Tages beispielsweise aufgrund von Bewölkung funktionsunfähig ist.
Eine weitere Vorgehensweise umfaßt das Vorprogrammieren des Roboters mit einer Blaupause seines gekennzeichneten Betätigungsbereichs, wie etwa einer Fußbodenkarte eines Gebäudes, in dem ein Roboter arbeiten soll. Diese Vorgehensweise hat zwei Hauptnachteile. Erstens erfordert sie die vorherige Programmierung durch den Benutzer, was sie für den Gebrauch durch Verbraucher in großem Umfang impraktikabel macht, und zweitens erfordert sie, daß eine solche vorherige Programmierung jedesmal, wenn sich etwas in dem Arbeitsbereich ändert, wiederholt wird.
Es ist deshalb klar, daß es äußerst erwünscht wäre, wenn man in der Lage wäre, eine Vorrichtung anzugeben, durch die automatische Einrichtungen sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bewegen und darin ihre Aufgabe ausführen können, und zwar ohne Behinderung durch das Erfordernis vordefinierter Bahnen und Schienen oder durch Zwischen-Navigationszeichen oder Vorprogrammierung, und die ihre Aufgabe auf eine vorbestimmte Weise ausführen können, ohne von Zufallsereignissen und/oder instabilen Energiequellen abzuhängen.
Die US-A-4 133 404 beschreibt einen automatischen Rasenmäher, der einen Sensor zum Detektieren einer Lichtkontrastbegrenzung aufweist, die einen Arbeitsbereich definiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die Anmelderin hat erkannt, daß es möglich ist, automatische Einrichtungen, die innerhalb einer umschlossenen Zone arbeiten, von dem Erfordernis einer vorherigen Programmierung, von vordefinierten Bahnen und Schienen und von dem Erfordernis von Zwischen-Navigationshilfen frei zu machen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Roboter seine Aufgaben innerhalb eines umschlossenen Bereichs frei von solchen Beschränkungen mit hoher Genauigkeit und innerhalb eines minimalen Zeitraums ausführen kann.
Um die obengenannten Ziele zu erreichen, wird ein Begrenzungsdetektiersystem gemäß der Definition in Anspruch 1 angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen ferner die Begrenzungsmarkierungen passive magnetische Einrichtungen auf, die von einem magnetischen Sensor detektierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die passive magnetische Einrichtung eine Vielzahl von Stiften mit Magneten darin auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die passive magnetische Einrichtung eine Vielzahl von Magneten auf, von denen jeder die Form eines Stiftes hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen ferner die Begrenzungsmarkierungen Kontrasteinrichtungen auf, die von einem Kontrastmustercodeleser detektierbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die Begrenzung einen zweifarbigen Führungsdraht auf, der Muster einer ersten Farbe in festen Abständen daran und einer zweiten Farbe für die nicht gemusterten Bereiche des Führungsdrahts hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die Begrenzung eine Vielzahl von Stiften auf, von denen jeder ein Kontrastmuster daran hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen ferner die Begrenzungsmarkierungen radioaktive Einrichtungen auf und der Sensor weist ein Radiometer auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die Begrenzung einen Führungsdraht auf, an dem radioaktive Einheiten in festen Abständen angebracht sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die Begrenzung eine Vielzahl von Stiften auf, von denen jeder eine radioaktive Einheit daran hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ferner die Begrenzung eine Vielzahl von Stiften auf, die mindestens einen Sender-Empfänger darin haben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner der Roboter mit einem ausgewählten von der Gruppe aus einem Rasenmäher, einem Bodenkehrgerät und einem Bodenpoliergerät gekoppelt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Diese zeigen ist:
Fig. 1 schematisch einen umschlossenen Bereich, innerhalb dessen ein Roboter wirksam sein muß, wobei die schattierten Bereiche "Inseln" darstellen, die der Roboter nicht betreten darf;
Fig. 2 im Querschnitt eine Begrenzung von Fig. 1 gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3A und 3B das Verfahren der Erfindung unter Anwendung von Polarkoordinaten;
Fig. 4 das Verfahren der Erfindung unter Anwendung von kartesischen Koordinaten;
Fig. 5A und 5B Flußdiagramme eines Beispiels eines Ortkorrekturvorgangs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 ein Flußdiagramm des Betriebs eines Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine bildliche Darstellung eines der Linie von gemähtem Gras folgenden Rasenmähers, der gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet und wirksam ist;
Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des Rasenmähers nach Anspruch 7;
Fig. 9 eine bildliche Darstellung, die für das Verständnis des Verfahrens von Fig. 8 nützlich ist;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Rasenhöhensensors, der bei dem Verfahren von Fig. 8 nützlich ist;
Fig. 11A und 11B schematische Darstellungen eines Rasenmähers, eines Sensors und von zwei Arten von Begrenzungsmarkierungen, die weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bilden; und
Fig. 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, 14B, 15 und 16 schematische Darstellungen verschiedener Arten von Begrenzungsmarkierungen, die bei den Ausführungsformen der Fig. 11A und 11B nützlich sind.

GENAUE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen.
Wie Fig. 1 zeigt, ist der mit "A" bezeichnete Arbeitsbereich, in dem der Roboter wirksam sein muß, von einer Begrenzung 1 umschlossen. Innerhalb des Arbeitsbereichs sind "Inseln", in die der Roboter nicht eindringen darf; sie sind schraffiert und von Begrenzungen 2 und 3 umschlossen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Roboter ein automatischer Rasenmäher, und der Bereich A ist ein Rasen.
Die Inseln 2 und 3 können beispielsweise Bäume und ihre Umgebung oder Blumenbeete sein. Es ist also erwünscht, daß der Rasenmäher nur in den Bereichen wirksam ist, in denen Gras wächst, und andere Bereiche meidet. Alternativ kann der Roboter an ein Bodenkehrgerät oder ein Bodenpoliergerät oder eine andere Vorrichtung gekoppelt sein, die eine flache Oberfläche abtasten soll.
Wie erwähnt, können gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Begrenzungen 1, 2 und 3 einen leitenden Draht aufweisen. Diese Art von Begrenzung ist im Querschnitt in Fig. 2 gezeigt, die einen Draht 4 zeigt, der einen metallischen Kern 5 und eine Kunststoffaußenschicht 6 aufweist. Man läßt einen Strom "i" durch den Draht fließen, so daß ein Magnetfeld entlang dem Draht erzeugt wird.
Die Stärke des Stroms kann sehr gering sein, da es nicht erforderlich ist, daß das Magnetfeld in einem großen Abstand von der Begrenzung erfaßt wird, und es ausreicht, daß es in unmittelbarer Nähe des Drahts fühlbar ist. Das Magnetfeld wird bei dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung von einem Magnetfeldsensor erfaßt, der an dem Rasenmäher vorgesehen ist. Das Magnetfeld und der es erfassende Sensor sind herkömmlich und im Stand der Technik wohl bekannt und werden deshalb der Kürze halber nicht im einzelnen beschrieben.
Die Erfindung arbeitet wie folgt, wobei der Rasenmäher als ein Beispiel dient und es sich versteht, daß die Erfindung in keiner Weise auf ihren Gebrauch mit einem Rasenmäher oder mit einer anderen speziellen Vorrichtung beschränkt ist. Ein Koordinatensystem sowie ein Ausgangspunkt sind definiert.
Fig. 3A zeigt einen Rasenmäher relativ zu dem Ausgangspunkt "S" in dem Rasen, wobei der Rasenmäher an einer Stelle (θ, r) ist, nämlich in einem Abstand r, der durch Messen der Bewegung des Rasenmähers gemessen wird, und unter einem Winkel von dem Ausgangspunkt ist, der mit Hilfe eines Kompasses gemessen wird. Wie Fig. 3B zeigt, hat also jede Stelle innerhalb des umschlossenen Bereichs eine eindeutig bestimmte Polarkoordinate.
Wenn es erwünscht ist, dem Roboter die Begrenzungen seiner Aufgabe beizubringen, wird der Rasenmäher dazu veranlaßt, sich zunächst um die Begrenzung 1 von Fig. 1 herum zu bewegen. Die Speichereinrichtung des Roboter speichert die Koordinaten der Begrenzung 1 relativ zu dem Ausgangspunkt . Während dieser Lernbewegung erfaßt der (nicht gezeigte) Begrenzungssensor, der an dem Roboter positioniert ist, die Begrenzung 1.
Gleichermaßen werden die Begrenzungen 2 und 3 von dem Roboter zum ersten Mal erfaßt und für den zukünftigen Gebrauch gespeichert. Der Roboter hat nun eine Ausgangskarte des Bereichs, ähnlich dem in Fig. 3B Gezeigten, wobei jeder Stelle eine Koordinate zugeordnet worden ist. Der so gebildete Koordinatensatz wird "die Karte" des Arbeitsbereichs genannt.
Wenn es erwünscht ist, den Rasen zu mähen, wird der Roboter an den Ausgangspunkt gebracht, und er wird gemäß einem Befehlssatz, der programmiert worden ist und der für jede andere Aufgabe verschieden sein kann, gestartet. Beispielsweise kann ein kreisförmiger Rasen besser aussehen, wenn er in Kreisen gemäht wird, während ein Fußballfeld mit Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen gemäht werden muß. Ein automatischer Rasenmäher gemäß der Erfindung kann ferner mit einer Anzahl von voreingestellten Programmen versehen sein, aus denen der Benutzer auswählen kann.
Wie erwähnt, ist der Roboter ferner mit einer Abstandsmeßeinrichtung, wie etwa einem Wegstreckenzähler oder einer ähnlichen Einrichtung versehen. Diese Einrichtungen sind jedoch nicht ganz genau und können nur ungefähre Abstandswerte für eine gegebene Position liefern.
Der Fehler bei der Messung des Abstands kann viele verschiedene Gründe haben, beispielsweise das Rutschen von Rädern auf einem feuchten Rasen, unebenen Boden usw., und der Fehler kann sich in einem ganz erheblichen Maß aufbauen und die Fähigkeit des Roboters, seine Aufgabe mit einem hohen Genauigkeitsgrad abzuschließen, beeinträchtigen.
Es gibt zwar selbstverständlich genaue Meßeinrichtungen, wie etwa Laserabstandsmeßeinrichtungen, diese sind jedoch teuer und/oder erfordern Kalibrierziele, die in dem Arbeitsbereich oder um diesen herum angeordnet sind. Es ist ein Ziel der Erfindung, die Verwendung solcher teuren und komplizierten Abstandsmeßeinrichtungen zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung vergleicht deshalb der Roboter, der mit einer Aufgabe beginnt, kontinuierlich den von dem Wegstreckenzähler oder einer anderen Abstandsmeßeinrichtung gemessenen Abstand mit dem Abstand von einer früheren Position zu den Begrenzungen in der Winkelkoordinate, der er folgt.
Wenn die Begrenzung früher als nach diesem Vergleich erwartet detektiert wird (oder, anders ausgedrückt, wenn die Differenz zwischen dem Abstand nach der Karte und dem gemessenen Abstand negativ ist), bewegt sich der Roboter weiter, bis die Begrenzung detektiert wird.
Wenn die Differenz zwischen dem Abstand nach der Karte und dem gemessenen Abstand positiv ist oder, anders ausgedrückt, wenn die Begrenzungen früher als erwartet angetroffen werden, wird der Ist-Wert der Koordinate so korrigiert, daß er derjenige der Karte ist.
Der Ausgangspunkt ist anfangs der Punkt "S", und eine Korrektur von Abstandsfehlern erfolgt relativ zu diesem Punkt. Mit fortschreitender Arbeit kann zum Zweck des Vergleichs mit der Karte des Bereichs selbstverständlich der Ausgangspunkt so aktualisiert werden, daß er ein anderer Punkt innerhalb des Bereichs ist, beispielsweise ein Treffpunkt mit den Begrenzungen.
Gleichermaßen ist der Roboter vorher so programmiert worden, daß er "Inseln" meidet; er wird jedoch eine Insel nach der tatsächlichen Position der detektierten Begrenzung detektieren und seine aktuelle Arbeitskarte auf der Basis der Detektierung der Begrenzung und der Ausgangskarte korrigieren. Wie für den Fachmann ersichtlich, ist die Genauigkeit der Korrektur der tatsächlichen Arbeitskarte umso größer, je höher die Anzahl von begrenzten Bereichen ist.
Deshalb tragen die Inseln tatsächlich dazu bei, die Genauigkeit beizubehalten und die tatsächliche Arbeitskarte zu korrigieren. Wenn der Arbeitsbereich besonders groß ist, kann es daher erwünscht sein, für den Zweck der Kartenkorrektur künstliche Inseln vorzusehen.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, ist das Arbeiten mit der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch in bezug auf die Begrenzungen sehr angenehm, da der Draht oder die Spule im Boden verlegt sein können, so daß eine tatsächliche oder selbst ästhetische Störung des Arbeitsbereichs vermieden wird, und der Leistungsbedarf zum Erzeugen eines lokalisierten Magnetfelds sehr gering ist.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der der Ort jeder Stelle in kartesischen Koordinaten gemessen wird. Wie für den Fachmann ersichtlich, ist es für die Erfindung nicht wesentlich, daß ein spezielles Koordinatensystem gewählt wird, es kann jedoch zweckmäßiger sein, in Abhängigkeit von dem angewandten Kartenkorrekturverfahren einen speziellen Koordinatensatz zu wählen.
Nachstehend wird beispielhaft ein spezielles Verfahren, bei dem kartesische Koordinaten angewandt werden, unter Bezugnahme auf die Flußdiagramme in Fig. 5A und 5B beschrieben.
In Fig. 5A ist die Korrektur eines Fehlers auf einer Achse (Y in dem Beispiel, das in dem Flußdiagramm in Fig. 5A gezeigt ist) gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung gezeigt, während der Fehler auf der anderen Achse nicht korrigiert wird. Dagegen zeigt Fig. 5B ein Verfahren bei einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der X- als auch der Y-Fehler in einem Schritt korrigiert werden.
Es ist zu beachten, daß, obwohl bei der Ausführungsform von Fig. 5A zu einem Zeitpunkt jeweils nur der Fehler auf einer Achse korrigiert werden kann, der Fehler auf der anderen Achse durch Bewegung in eine Richtung senkrecht zu der gerade korrigierten Achse korrigiert werden kann. Die Bewegung des Roboter kann so programmiert werden, daß sowohl die X- als auch die Y-Ortskoordinate mit einer geeigneten Korrekturrate aktualisiert werden.
Fig. 5B zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Begrenzungen mit Markierungen (4 in Fig. 5B) markiert sind, die eine eindeutig Identität haben. Typischerweise sind die Markierungen geeignet gleichmäßig voneinander beabstandet, obwohl jedes Abstandsschema möglich ist.
Die Markierungen können von jeder geeigneten Art sein, beispielsweise eine HF-Kennung, eine magnetische Kennung oder eine ähnliche Markierung sein, die ein von einem Sensor erkennbares Signal abgibt. In einem solchen Fall muß natürlich auch ein geeigneter Sensor, der eindeutige Identitätssignale erkennen kann, mit dem Roboter verbunden sein.
Während des Initialisierungsablaufs führt der Roboter eine vollständige Schleife um den Rand herum aus und speichert die Gestalt der Begrenzung sowie die Position jeder Markierung (X-, Y-Koordinaten jeder einzelnen Markierung). Dieser Vorgang ermöglicht jedesmal, wenn ein Rand detektiert wird, die Korrektur sowohl des X- als auch des Y-Koordinatenfehlers mit dem in dem Flußdiagramm in Fig. 5B gezeigten Verfahren.
Schematisch gesehen, ist der Roboter gemäß dem Flußdiagramm in Fig. 6 wirksam.
Es wird nun auf die Fig. 7, 8 und 9 Bezug genommen, die eine weitere Ausführungsform des Roboterrasenmähers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Bei dieser Ausführungsform tastet der Roboter den Raum mit überlappenden geraden Linien ab, indem er den Ort des Rands zwischen ungemähtem und gemähtem Gras bestimmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Rasenmäher, der in Fig. 7 mit 20 bezeichnet ist, zusätzlich eine Vielzahl von Sensoren 22 auf, von denen jeder die Höhe des Grases in seiner allgemeinen Nähe mißt. Fig. 7 zeigt zwei Bereiche, einen Bereich 24 mit gemähtem Gras und einen Bereich 26 mit ungemähtem Gras. Die Sensoren 22A und 22B liefern also ein Ausgangssignal für große Höhe, und die Sensoren 22C und 22D liefern ein Ausgangssignal für geringe Höhe.
Durch Vergleich der Höhenausgangssignale der Sensoren 22 kann das Steuerungssystem des Rasenmäher bestimmen, wo sich im allgemeinen der Rand zwischen gemähtem und ungemähtem Gras befindet. Eine Ausführungsform eines Sensors 22 ist in Fig. 10 gezeigt und wird nachstehend im einzelnen beschrieben.
Fig. 8 zeigt im einzelnen die Operationen, die von dem Steuerungssystem des Rasenmähers 20 ausgeführt werden, und Fig. 9 zeigt die Bewegungen des Rasenmähers 20 am Rand des Rasens. Während der Rasenmäher 20 eine Bahn 25, die in Fig. 9 in gestrichelten Linien gezeigt ist, mäht, messen die Sensoren 22 kontinuierlich die Höhe des benachbarten Rasens (Schritt 30).
Das Steuerungssystem mit dem Navigationssystem (Kompaß und Wegstreckenzähler) lenkt den Rasenmäher 20 in die gewünschte Richtung, wie vorstehend beschrieben, während es gleichzeitig zusätzlich sicherstellt, daß der Rand des Rasens in einer gewünschten Position den Sensoren 22 gegenüber gehalten wird.
Es kann beispielsweise erwünscht sein, eine Bahn zu mähen, die nur Dreiviertel der Breite des Rasenmähers ausmacht. In dieser Situation sollte der Rand zwischen gemähtem und ungemähtem Gras zwischen den Sensoren 22A und 22B oder zwischen den Sensoren 22C und 22D gehalten werden.
Das Steuerungssystem hält die gewünschte Richtung aufrecht, bis der Rand des Rasens detektiert ist, wie vorstehend beschrieben wurde. An dieser Stelle muß der Rasenmäher 20 die Bewegungsrichtung ändern, während gleichzeitig der richtige Prozentsatz von ungemähtem Gras unter dem Rasenmäher 20 gehalten wird. Es ist zu beachten, daß sich der Rasenmäher vorwärts und rückwärts bewegen kann.
Fig. 9 zeigt die Richtungsänderung. Anfangs bewegt sich der Rasenmäher 20 in Vorwärtsrichtung entlang der Bahn 25 (Schritt 30). Bei Erreichen des Rands führt der Rasenmäher 20 unter Verwendung des Navigationssystems ein mit 40 bezeichnetes 'S'-förmiges Rückwärtsmanöver aus, bis der Rand zwischen gemähtem und ungemähtem Rasen zwischen den zwei gewünschten Sensoren 22 erfaßt wird.
Dieser Schritt ist in Schritt 32 von Fig. 8 angegeben und erzeugt einen 'S'-förmigen Schnitt in dem Rasen. Wie die Linie in Fig. 9 zeigt, wird der Rand des gemähten Grases zwischen den zwei gewünschten Sensoren 22 gehalten.
In Schritt 34 bewegt sich der Rasenmäher 20 entlang dem Rand des gemähten Grases vorwärts, bis der Rand des Rasens wieder erfaßt wird. Diese Bewegung ist durch die kurzen Pfeile 42 in Fig. 9 gezeigt. Schließlich bewegt sich der Rasenmäher entlang der neuen Bahn 44 zurück. Anfangs und bis zum Erreichen des Orts der Linie verwendet der Rasenmäher 20 nur die Kompaßinformation.
Sobald der Rand von gemähtem Gras wieder gefunden ist (am Ort der Linie ), verwendet das Steuerungssystem sowohl den Kompaß als auch das Sensorausgangssignal, um die neue Bahn 44 zu erzeugen. Dies ist in Schritt 36 von Fig. 8 angegeben.
Wie in bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen erläutert ist, muß der Rasenmäher 20 zu Orten einer nicht abgeschlossenen Abtastung, wie etwa zu Orten auf der gegenüberliegenden Seite eines Blumenbeets oder eines Baums, zurückkehren. Dazu verwendet der Rasenmäher 20 das Navigationssystem, das auf den gewünschten Ort weist, und, wenn er in der Nähe des gewünschten Orts ist, wird zusätzlich der Rand zwischen gemähtem und ungemähtem Gras erfaßt.
Es wird nun auf Fig. 10 Bezug genommen, die einen beispielhaften Rasenhöhensensor zeigt. Der Rasensensor weist einen drehbaren Flügel 50 auf, der über einen Stift 54 und ein flexibles Gelenk 56 mit einem Potentiometer 52 verbunden ist. Eine schwache Feder 58 ist um den Stift 54 herum angebracht, und Verlängerungen 60 der Feder 58 erstrecken sich auf jeder Seite des Flügels 50 und eines festgelegten Stifts 62. Eine Kurvenscheibe 64 ist ebenfalls mit dem Stift 54 verbunden, und ein Mikroschalter 66 mißt die Bewegung der Kurvenscheibe 64.
Das Gras drückt gegen den Flügel 50, der sich dreht, da er nicht schwer ist. Der Flügel 50 drückt seinerseits gegen die jeweils relevante Verlängerung 60. Da die andere Verlängerung 60 durch den festgelegten Stift 62 an Ort und Stelle gehalten wird, wird die Feder 58 gespannt, so daß dadurch eine Rückstellkraft gegen die Kraft des Grases erzeugt wird.
Die Drehung des Flügels bewirkt, daß sich die Kurvenscheibe 64 und das flexible Gelenk 56 drehen, wobei die Drehung von dem Potentiometer 52 gemessen wird. Wenn sich der Flügel 50 zu weit dreht, drücken außerdem Vorsprünge 68 der Kurvenscheibe 64 gegen einen Stab 70, der mit dem Mikroschalter 66 verbunden ist, was eine maximale Bewegung des Flügels 50 anzeigt.
Es wird nun auf die Fig. 11A und 11B Bezug genommen, die alternative Ausführungsformen von Begrenzungsmarkierungen und einen am Rasenmäher angebrachten Sensor zum Detektieren der entsprechenden Begrenzungsmarkierungen zeigen. Es wird ferner auf die Fig. 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, 14B, 15 und 16 Bezug genommen, die weitere Arten von Begrenzungsmarkierungen zeigen.
Die Fig. 11A und 11B zeigen den Rasenmäher 10 mit einem daran angebrachten Begrenzungssensor 80. In Fig. 11A ist die Begrenzung durch eine Serie von Markierungen 82, die am Rand des Rasens im Boden angeordnet sind, markiert. Typischerweise sind die Markierungen in festen Abständen voneinander angeordnet.
Alternativ können sie nahe aneinander entlang Bereichen des Rands, die sehr kurvenreich sind, und weiter voneinander entfernt entlang geraderen Bereichen des Rands angeordnet sein.
In Fig. 11B ist die Begrenzung durch einen Draht 84 gegeben, der auf irgendeine geeignete und detektierbare Weise markiert ist. Die Markierungsart ist auf den an dem Rasenmäher 10 angebrachten Sensortyp abgestimmt.
Bei einer Ausführungsform, die in den Fig. 12A und 12B gezeigt ist, ist in den Begrenzungsmarkierungen 82 ein Magnet vorgesehen. Bei der Ausführungsform in Fig. 12A besteht die Begrenzungsmarkierung 82 aus einem Kunststoffstift 90, einem Magneten 92, der in dem Stift 90 plaziert ist, und einer Kunststoffabdeckung 94, die die Magnet-Stift-Einheit abdeckt. Bei der Ausführungsform in Fig. 12B ist, wie gezeigt, die Begrenzungsmarkierung 82 ein magnetisierter metallischer Stift.
Der entsprechende Sensor 80 für beide Ausführungsformen ist ein Gaußmeter, wie etwa das von F.W. Beil Inc., USA., hergestellte Modell 4048 oder jedes andere Magnetometer, das den Magnetismus in der kombinierten Einheit erfaßt. Die Abstände zwischen den Begrenzungsmarkierungen 82 sind durch die Stärke des Magneten 92 derart definiert, daß an jeder Stelle entlang dem markierten Umfang von dem Sensor an dem Roboter mindestens zwei Markierungen detektierbar sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in den Fig. 13A und 13B gezeigt ist, ist der Sensor 82 ein Strichcodeleser, wie etwa das Modell 1516 von Intermek Inc. aus Seattle, Washington, USA. In Fig. 13A sind die entsprechenden Begrenzungsmarkierungen ein weißes Kabel 96 mit schwarzen Strichcodemarkierungen 98 daran. Die Strichcodemarkierungen 98 sind in festen Abständen voneinander angeordnet. In Fig. 13B sind die Begrenzungsmarkierungen Stifte (typischerweise aus weißem Kunststoff) mit schwarzen Markierungen 100 daran.
Die Fig. 14A und 14B zeigen eine weitere Ausführungsform, die einen Geigerzähler oder ein anderes geeignetes Radiometer verwendet, um die Begrenzungsmarkierungen zu detektieren. Fig. 14A zeigt ein Kabel 102, auf dem sich ein Stück eines radioaktiven Minerals 104, wie etwa Americium befindet, und Fig. 14B zeigt einen einzelnen Stift 106 (typischerweise aus Kunststoff), auf dem ein radioaktives Mineral 104 vorgesehen ist. Ein geeigneter Geigerzähler zum Gebrauch mit dem Rasenmäher 10 ist der von Bicron Inc., USA, hergestellte, Geigerzähler SURVIVOR 200.
Fig. 15 zeigt eine Spulenkondensatorschaltung 110, die in eine Kunststoff- oder Keramikmasse 112 gebettet ist. Eine solche Schaltung 110 wird dann in eine Stifteinheit, wie etwa den Stift 90 und die Abdeckung 94 von Fig. 12A eingebracht.
Der entsprechende Sensor 80 ist ein Resonanzkennungsleser, wie etwa einer von denjenigen, die von Checkpoint Inc. aus Thorofare, New Jersey, USA, für den Diebstahlschutz in Geschäften wie etwa Textilgeschäften hergestellt werden. Die Spulenkondensatoreinheit 110 kann den von Checkpoint hergestellten Spulenkondensatoreinheiten oder jeder anderen geeigneten Spulenkondensatoreinheit ähnlich sein.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, die Sender- Empfänger-Einheiten 120 verwendet. Die Sender-Empfänger- Einheit 120 kann jede geeignete Schmalbandsende- und -empfangseinheit sein und ist typischerweise in eine Stifteinheit, wie etwa den Stift 90 und die Abdeckung 94 gemäß Fig. 12A eingebaut. Der entsprechende Sensor ist ein gleichartiger Sender-Empfänger.
Jeder Sender-Empfänger in jedem Stift arbeitet mit der gleichen Frequenz, und der Sensor-Sender-Empfänger bestimmt kontinuierlich, wie nahe er der nächsten Sender-Empfänger- Einheit 120 ist. Wenn der Sensor-Sender-Empfänger in einen vorbestimmten Abstand gelangt, bestimmt der Sensor-Sender- Empfänger, daß er die Begrenzung erreicht hat.
Bei sämtlichen oben angegebenen Ausführungsformen bestimmt der Sensor 80, daß der Rasenmäher 10 die Begrenzung erreicht hat, wenn das Signal, das der Sensor 80 empfängt, einen Schwellenwert, der als der erwartete Meßwert in einem Abstand von fünf bis zehn Zoll von der Markierung oder dem Kabel errechnet ist, hat oder diesen überschreitet.
Es versteht sich, daß auch andere Markierungsarten und ihre entsprechenden Detektoren von der vorliegenden Erfindung umfaßt sind.

Claims

1. Begrenzungsdetektiersystem, das einen automatischen Roboter aufweist, der innerhalb eines Arbeitsbereichs wirksam sein soll, wobei das Begrenzungsdetektiersystem folgendes aufweist:

(a) Begrenzungsmarkierungen, die eine äußere Begrenzung, die entlang dem Umfang des Arbeitsbereichs angeordnet ist, und eine innere Begrenzung bilden, die entlang dem Umfang jedes in dem Arbeitsbereich umschlossenen Bereichs ist, in dem der Roboter nicht wirksam soll;

(b) einen an dem Roboter angebrachten Sensor, der die Begrenzungsmarkierungen detektieren kann;

(c) eine Speichereinrichtung an dem Roboter zum Speichern von die innere und die äußere Begrenzung betreffenden Daten, die von dem Sensor erzeugt werden, und zum Erzeugen einer Karte der Bereiche innerhalb des umschlossenen Bereichs, in dem der Roboter wirksam sein soll, aufgrund von Begrenzungsdaten, die durch die Bewegung des Roboters um die äußere Begrenzung des Arbeitsbereichs herum erzeugt werden.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungsmarkierungen passive magnetische Einrichtungen aufweisen und der Sensor ein magnetischer Sensor ist.

3. System nach Anspruch 2, wobei die passiven magnetischen Einrichtungen eine Vielzahl von Stiften mit Magneten darin aufweisen.

4. System nach Anspruch 2, wobei die passiven magnetischen Einrichtungen eine Vielzahl von Magneten aufweisen, von denen jeder die Form eines Stiftes hat.

5. System nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungsmarkierungen Kontrasteinrichtungen aufweisen und der Sensor einen Kontrastmustercodeleser aufweist.

6. System nach Anspruch 5, wobei die Begrenzung einen zweifarbigen Führungsdraht aufweist, der Muster einer ersten Farbe in festen Abständen daran und eine zweite Farbe für die nicht gemusterten Bereiche des Führungsdrahts hat.

7. System nach Anspruch 5, wobei die Begrenzung eine Vielzahl von Stiften aufweist, von denen jeder ein Kontrastmuster daran hat.

8. System nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungsmarkierungen radioaktive Einrichtungen aufweisen und der Sensor einen Radiometerleser aufweist.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Begrenzung einen Führungsdraht aufweist, an dem radioaktive Einheiten in festen Abständen angebracht sind.

10. System nach Anspruch 8, wobei die Begrenzung eine Vielzahl von Stiften aufweist, von denen jeder eine radioaktive Einheit daran hat.

11. System nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungsmarkierungen eine Vielzahl von Stiften aufweisen, die mindestens einen Sender- Empfänger darin haben, und wobei der Sensor einen Sender-Empfänger aufweist.

12. System nach Anspruch 1, wobei der Roboter Teil eines Rasenmähers, eines Bodenkehrgeräts oder eines Bodenpoliergeräts ist.