WO1999004225A1 - Method for determining the rotating position of a self-contained mobile unit, and self-contained mobile unit - Google Patents

Method for determining the rotating position of a self-contained mobile unit, and self-contained mobile unit Download PDF

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WO1999004225A1
WO1999004225A1 PCT/DE1998/001866 DE9801866W WO9904225A1 WO 1999004225 A1 WO1999004225 A1 WO 1999004225A1 DE 9801866 W DE9801866 W DE 9801866W WO 9904225 A1 WO9904225 A1 WO 9904225A1
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rotational position
unit
gyroscope
change
mobile unit
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PCT/DE1998/001866
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Rudolf Bauer
Martin Soika
Wolfgang Rencken
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05D1/027Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using internal positioning means comprising intertial navigation means, e.g. azimuth detector

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining the rotational position of a mobile system while driving, as can be used for example in autonomous mobile robots and other autonomous vehicles.
  • the general problem with autonomous mobile systems is that they have to get an idea of their surroundings while driving.
  • Different sensors are used for this purpose, which record measurement data from the environment.
  • a particularly favorable method for determining displacement measurement data is odometry, which is known from DE 33 15 422 AI.
  • odometry which is known from DE 33 15 422 AI.
  • encoders on the wheel axles are used to measure the wheel rotations.
  • the position of the unit can then be continuously estimated, for example, using the odometry data obtained from these internal sensors.
  • a disadvantage of this form of dead reckoning navigation is that the position estimation based on odometry data is fraught with errors. With these errors, a distinction can be made between systematic and unsystematic errors. Systematic errors are understood to mean, for example, unequal wheel diameters or an imprecisely measured wheel distance.
  • a rotational change in position is the use of a gyroscope, which is arranged on the autonomous mobile unit ⁇ actual means of this gyroscope, accelerometer or another can change the rotary position of the autonomous mobile unit be relatively determined.
  • the absolute rotational position can then be determined by integrating the raw data once or twice.
  • the disadvantage of these systems is that the sensor signals have to be integrated in order to obtain the desired measured variable. Every smallest constant error in the sensor data leads to a drift of the measured variable. Since this error increases over time, these systems can only be used alone for a short period of time, for example approx. A few minutes.
  • DE 39 10 945 AI It is known from the prior art DE 39 10 945 AI that two redundant ones are used for the navigation of autonomous mobile units To use dead reckoning systems, switching between the two systems in a controlled manner.
  • DE 39 10 945 AI mentions the combination of odometer and gyro system as a redundant system.
  • the switching between the two systems is controlled in accordance with DE 39 10 945 AI in that both the actual position of the autonomous mobile unit determined by the odometry system and the actual position of the autonomous mobile unit determined by the gyro system with the target position of the autonomous mobile unit is calculated from a driving course stored in a computer, is compared. Depending on the two comparison results, the system with the smaller deviation of the actual value from the target value is used for navigation of the autonomous mobile unit.
  • the object on which the invention is based is to specify a further method and a further arrangement for determining the rotational position of an autonomous mobile unit while driving.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that the change in the rotational position of the autonomous mobile unit is determined by two different measuring means and that in each case that measuring means is used to determine the rotational position that provides the more reliable measurement results at the moment.
  • the distance measurement can advantageously be carried out by means of odometry, since this method ren used in many autonomous units and inexpensive sensors are available.
  • the rotational position can be determined particularly advantageously as the rotational position that was measured by the gyroscope, or as the rotational position that was determined from the odometry data.
  • the method according to the invention can be used to distinguish, by means of a preferably experimentally determined threshold value, which of the two measuring systems is currently delivering the more reliable results and can use this measuring system to determine the rotational position.
  • the difference in the amount is formed particularly advantageously to form the comparison result from the two rotational positions, since this can be computationally calculated with little effort and sign effects are eliminated.
  • a gyroscope is particularly advantageously calibrated while the autonomous mobile unit is traveling if the odometry data appear reliable at the moment, which can be determined on the basis of the threshold value.
  • a Cayman filter is advantageously used to estimate the offset of the gyroscope, since this filter is used in a variety of ways and known methods exist for implementing treasures for time-dependent variables.
  • an error payer is implemented particularly advantageously, which is paid up as a function of the threshold values and which is used to detect a sensor error after a predetermined error limit has been exceeded.
  • An autonomous mobile unit which has measuring means for determining displacement measurement data and a gyroscope, the rotational position of which is determined by the method according to the invention, is particularly advantageous since it is thus possible for the first time to calibrate a gyroscope while driving.
  • Figure 1 shows an example of a unit in a reference coordinate system.
  • Figure 2 illustrates an unsystematic error in the odometry measurement.
  • Figure 3 shows an example of a Cayman filter.
  • FIG. 4 shows a block diagram as an example of a method according to the invention.
  • FIG. 5 shows a method for determining the sensor error on the basis of the threshold value and an error counter.
  • Figure 1 shows the movement model of an autonomous vehicle
  • the configuration of the mobile system in the form of position and rotational position in a fixed reference system is shown as an example. This position information is to be determined continuously, for example, relative to the coordinate system while driving. This configuration
  • Odometry has the following advantages:
  • FIG. 2 shows how a wheel travels over a small obstacle H. This is to show the effect of an unsystematic error on the position estimate.
  • a wheel R with a radius r is about to pass an unknown obstacle H with a height h.
  • the wheel R moves exactly and without slipping over the contact point C.
  • the wheel center M rotates over the contact point C until it is exactly above this in the position M '.
  • the wheel encoders preferably measure the wheel rotation ⁇ , which is interpreted as the travel distance d mßß .
  • the real horizontal movement of the wheel in the direction Bew is only d hor -
  • ⁇ T dist • sin ( ⁇ ) a translational error ⁇ T of approximately 13 cm.
  • the angle error is actually the decisive error, since the resulting position error grows indefinitely when you continue driving.
  • a second measuring means for example in the form of a gyroscope or an accelerometer, which does not have such errors, can therefore be used expediently.
  • This allows the rotation of a robot to be determined relatively.
  • the rotational position is determined by integrating the measured raw data once or twice.
  • the disadvantage of these systems is that the Sensor signals must be integrated in order to obtain the desired measurement size. Every smallest constant error in the sensor data leads to a drift of the required measurement quantity. The error in determining the rotational position thus grows over time without limits. If these systems are only used in general, they can therefore only guarantee an accurate determination of the orientation for a few minutes.
  • the gyroscope delivers a voltage oul ; / which is proportional to the angular velocity ⁇ .
  • the rotational position can be with
  • the offset should therefore preferably be recalibrated every minute when the gyroscope is used for orientation. Then:
  • Offset U out . (12) If the robot is to carry out a transport job, for example, a robot downtime per minute is unacceptable. The invention therefore presents a method which allows the offset to be calibrated / readjusted during the robot run.
  • the speed of rotation is determined, to determine the position of rotation it must be integrated. It is therefore very much dependent on an exact determination of the zero point. 2.
  • the zero point is exposed to a very strong drift, which is also dependent on changing environmental influences. The zero point must therefore be constantly recalibrated. Previous solution: Every minute the robot comes to a standstill for 2 seconds. 3. Only the rotational position can be determined
  • the invention takes advantage of the advantages of the odo-et ⁇ e and the measurement with gyroscopes, without having to accept their disadvantages
  • the aim at the time of sampling (k + 1) is to determine the change in the ⁇ Odomet ⁇ eGyr0sk0p and thus the
  • the two sensors deliver different angular velocities. If it is assumed that both sensors are working properly, it is much more plausible that the correct angular velocity is provided by the gyroscope.
  • the wheels can spin here or drive over a bump, for example.
  • the gyroscope offset is not too old, i.e. definitely not older than about 1 minute. Otherwise, the deviation of the sensors could result from a temperature change.
  • the gyroscope is preferably not recalibrated if both sensors deliver different angular velocities.
  • odometry is used to determine the rotational position.
  • the measured value of the gyroscope and the odometry values are preferably used according to the invention additionally for calibration / re-calibration of the gyroscope offset while the mobile unit is traveling.
  • FIG. 3 shows an example of its estimation using a filter.
  • a Kaiman filter K can be used, for example, to determine the gyroscope offset. Since the gyroscope offset to be estimated changes very strongly over time, an iterative or recursive estimator should be used for calibration. Since the measurement data is also very noisy (eg due to A / D conversion), the estimator should preferably be able to take system uncertainties and measurement noise into account.
  • the parameters characterizing the gyroscope are the states for the Kaiman filter
  • the angular velocity measurement value M supplied by the gyroscope is greater or smaller than the current zero point, the angular velocity is increased via the measurement equation of the Cayman filter
  • the odometry and the gyroscope are preferably monitored for the agreement of their data.
  • FIG. 5 shows an example of a flow chart for determining sensor errors using an error counter. If the sensor measurement results over F_max consecutive cycles do not match, then there is a plausibility error in either the gyroscope or in odometry. In this case, the robot should preferably cancel its mission and stop.
  • FIG. 4 The relationships and the relevant variables for the OV method according to the invention are illustrated in FIG. 4 in a block diagram

Abstract

The invention concerns a method for determining the rotating position of a self-contained mobile unit, such as a small robot, for domestic or industrial use. Said unit comprises a gyroscope and position sensor for determining first and second rotating position variations. Said variations are compared with one another and if the measurement results are reciprocally confirmed, the gyroscope can be calibrated while the unit is moving. In the event that the measurement results are not confirmed, it can be concluded that there is an error in the odometry measurement, and the gyroscope is momentarily used as a more dependable measuring instrument. The invention therefore discloses a novel method for calibrating a gyroscope while the mobile self-contained unit is moving, using odometry data. The drawbacks of gyroscopic or odometry measurements are obviated, the correct data being used in each case using a threshold value for the comparative result.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur Festlegung der Drehlage einer autonomen mobilen Einheit und autonome mobile Einheit.Method for determining the rotational position of an autonomous mobile unit and autonomous mobile unit.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Drehlage eines mobilen Systems während der Fahrt, wie es beispielsweise bei autonomen mobilen Robotern und anderen autonomen Fahrzeugen angewendet werden kann.The invention relates to a method and an arrangement for determining the rotational position of a mobile system while driving, as can be used for example in autonomous mobile robots and other autonomous vehicles.
Bei autonomen mobilen Systemen besteht allgemein das Problem, daß sie sich während ihrer Fahrt ein Bild von ihrer Umgebung verschaffen müssen. Hierzu werden unterschiedliche Sensoren eingesetzt, welche Meßdaten aus der Umgebung aufnehmen. Ein besonders günstiges Verfahren zur Ermittlung von Wegmeßdaten stellt die Odometrie dar, die aus DE 33 15 422 AI bekannt ist. Hierzu werden beispielsweise Encoder an den Radachsen verwendet, um die Radrotationen zu messen. Mit den von diesen internen Sensoren gewonnen Odometriedaten kann dann beispielsweise kontinuierlich die Position der Einheit geschätzt werden. Ein Nachteil dieser Form der Koppelnavigation besteht darin, daß die Positionsschätzung auf Basis von Odometriedaten mit Fehlern behaftet ist. Bei diesen Fehlern kann zwischen systematischen und unsystematischen Fehlern unterschieden werden. Unter systematischen Fehlern werden beispielsweise ungleiche Raddurchmesser oder ein ungenau vermessener Radabstand verstanden. Diese systematische Fehler können jedoch durch geschickte Kalibrierung vollkommen eliminiert werden. Dann tragen nur noch die unsystematischen Fehler zu einer Verfälschung der geschätzten Position bei. Solche Fehler werden beispielsweise durch Schlupf der Räder auf dem Boden oder durch Überfahren von unbekannten auf dem Boden liegenden Objekten, wie beispielsweise Kabeln, Türschwellen oder Fliesenfugen verursacht. Aus den unterschiedlichen Wegen, die an den verschiedenen Rädern der auto- nomen mobilen Einheit gemessen werden, kann dann eine Drehlagenänderung auf Basis der Odometriedaten bestimmt werden.The general problem with autonomous mobile systems is that they have to get an idea of their surroundings while driving. Different sensors are used for this purpose, which record measurement data from the environment. A particularly favorable method for determining displacement measurement data is odometry, which is known from DE 33 15 422 AI. For example, encoders on the wheel axles are used to measure the wheel rotations. The position of the unit can then be continuously estimated, for example, using the odometry data obtained from these internal sensors. A disadvantage of this form of dead reckoning navigation is that the position estimation based on odometry data is fraught with errors. With these errors, a distinction can be made between systematic and unsystematic errors. Systematic errors are understood to mean, for example, unequal wheel diameters or an imprecisely measured wheel distance. However, these systematic errors can be completely eliminated by skillful calibration. Then only the unsystematic errors contribute to falsifying the estimated position. Such errors are caused, for example, by the wheels slipping on the floor or by running over unknown objects lying on the floor, such as cables, door sills or tile joints. From the different ways that the different wheels of the auto- nomen mobile unit can be measured, a change in rotational position can then be determined based on the odometry data.
Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung einer Drehlagenände- rung besteht in der Verwendung eines Gyroskops, welches an¬ der autonomen mobilen Einheit angeordnet ist- Mittels dieses Gyroskops, oder einem anderen Beschleunigungsaufnehmer kann die Drehlagenänderung der autonomen mobilen Einheit relativ bestimmt werden. Im Anschluß kann durch ein- oder zweimalige Integration der Rohdaten dann die absolute Drehlage bestimmt werden. Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß die Sensorsignale integriert werden müssen, um die gewünschte Meßgröße zu erhalten. Dabei führt jeder kleinste konstante Fehler der Sensordaten zu einer Drift der Meßgröße. Da dieser Fehler zeitabhängig anwächst, können diese Systeme nur für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise ca. einigen Minuten alleine benutzt werden. Danach muß eine Orientierungspause durchgeführt werden, um den Offset des Systems, welcher auch durch Temperaturschwankungen und andere Umwelteinflüsse ver- ursacht wird, zu beseitigen und das System zu kalibrieren. Aus dem Stand der Technik von "Fang P. D., Hung J. C: Gyro- compassing on a Moving Land Vehicle, Proceedings of the 15th Southeastern Symposium on System Theory, 28.-29. Maren 1988, Huntsville, AL, USA" ist ein Verfahren bekannt, welches ein Gyroskop an einer autonomen mobilen Einheit einsetzt und dieses mittels eines Kaiman-Filters kalibriert. Dort werden zur Kalibrierung des Gyroskops jedoch neben quasi statischen Parameter, wie dem Offset und Verstärkungsfaktoren auch dynamische Variablen, wie die Fahrzeugorientierung geschätzt.Another possibility for determining a rotational change in position is the use of a gyroscope, which is arranged on the autonomous mobile unit ¬ actual means of this gyroscope, accelerometer or another can change the rotary position of the autonomous mobile unit be relatively determined. The absolute rotational position can then be determined by integrating the raw data once or twice. The disadvantage of these systems is that the sensor signals have to be integrated in order to obtain the desired measured variable. Every smallest constant error in the sensor data leads to a drift of the measured variable. Since this error increases over time, these systems can only be used alone for a short period of time, for example approx. A few minutes. An orientation break must then be carried out in order to eliminate the offset of the system, which is also caused by temperature fluctuations and other environmental influences, and to calibrate the system. From the prior art of "Fang PD, Hung J. C: Gyro-compassing on a Moving Land Vehicle, Proceedings of the 15th Southeastern Symposium on System Theory, Mar. 28-29, 1988, Huntsville, AL, USA" is a Method known, which uses a gyroscope on an autonomous mobile unit and calibrates this using a Cayman filter. There, however, in addition to quasi-static parameters such as the offset and gain factors, dynamic variables such as vehicle orientation are estimated for calibration of the gyroscope.
Aus dem Stand der Technik DE 38 31 166 AI ist ferner bekannt, für die Korrektur eines zur Navigation einer autonomen mobilen Einheit verwendeten Odometriesystems kurzzeitig ein weiteres Orientierungssystem einzusetzen.It is also known from the prior art DE 38 31 166 AI to briefly use a further orientation system for correcting an odometry system used to navigate an autonomous mobile unit.
Aus dem Stand der Technik DE 39 10 945 AI ist bekannt, für die Navigation autonomer mobiler Einheiten zwei redundante Koppelnavigationssysteme einzusetzten, wobei zwischen den beiden Systemen gesteuert umgeschalten wird. Als redundantes System nennt DE 39 10 945 AI die Kombination von Odometπe und Kreiselsystem. Die Steuerung des Umschaltens zwischen den beiden Systemen erfolgt gemäß DE 39 10 945 AI dadurch, daß sowohl die durch das Odometriesystem ermittelte Istposition der autonomen mobilen Einheit wie auch die durch das Kreiselsystem ermittelte Istposition der autonomen mobilen Einheit mit der Sollposition der autonomen mobilen Einheit, die aus einem m einem Rechner gespeicherten Fahrkurs berechnet wird, verglichen wird. In Abhängigkeit der zwei Vergleichsergebnisse wird das System mit der geringeren Abweichung des jeweiligen Istwertes vom Sollwert zur Navigation der autonomen mobilen Einheit verwendet.It is known from the prior art DE 39 10 945 AI that two redundant ones are used for the navigation of autonomous mobile units To use dead reckoning systems, switching between the two systems in a controlled manner. DE 39 10 945 AI mentions the combination of odometer and gyro system as a redundant system. The switching between the two systems is controlled in accordance with DE 39 10 945 AI in that both the actual position of the autonomous mobile unit determined by the odometry system and the actual position of the autonomous mobile unit determined by the gyro system with the target position of the autonomous mobile unit is calculated from a driving course stored in a computer, is compared. Depending on the two comparison results, the system with the smaller deviation of the actual value from the target value is used for navigation of the autonomous mobile unit.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein weiteres Verfahren und eine weitere Anordnung zur Bestimmung der Drehlage einer autonomen mobilen Einheit während der Fahrt anzugeben.The object on which the invention is based is to specify a further method and a further arrangement for determining the rotational position of an autonomous mobile unit while driving.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1-9 und f r die autonome mobile Einheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.This object is achieved for the method according to the features of claims 1-9 and for the autonomous mobile unit according to the features of claim 10.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.Further developments of the invention result from the dependent claims.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens be- steht darin, daß die Drehlagenänderung der autonomen mobilen Einheit durch zwei unterschiedliche Meßmittel festgestellt wird und daß jeweils dasjenige Meßmittel zur Festlegung der Drehlage verwendet wird, welches im Augenblick die verläßlicheren Meßergebnisse liefert.A particular advantage of the method according to the invention is that the change in the rotational position of the autonomous mobile unit is determined by two different measuring means and that in each case that measuring means is used to determine the rotational position that provides the more reliable measurement results at the moment.
Vorteilhaft kann beim erfindungsgemäßen Verfahren die Wegmessung mittels Odometrie durchgeführt werden, da dieses Verfah- ren bei vielen autonomen Einheiten eingesetzt w rd und gunstige Meßaufnehmer zur Verfugung stehen.In the method according to the invention, the distance measurement can advantageously be carried out by means of odometry, since this method ren used in many autonomous units and inexpensive sensors are available.
Besonders vorteilhaft kann nacn dem erfmdungsgemaßen Verfah- ren die Drehlage als diejenige Drehlage festgelegt werαen, die vom Gyroskop gemessen wurde, oder als diejenige Drehlage festgelegt werden, αie aus den Odometriedaten bestimmt wurde.According to the method according to the invention, the rotational position can be determined particularly advantageously as the rotational position that was measured by the gyroscope, or as the rotational position that was determined from the odometry data.
Besonders vorteilhaft laßt sich nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren mittels eines bevorzugt experimentell bestimmten Schwellenwertes unterscheiden, welches der beiden Meßsysteme im Augenblick die verläßlicheren Ergebnisse abgibt und dieses Meßsystem für die Festlegung der Drehlage verwenden.Particularly advantageously, the method according to the invention can be used to distinguish, by means of a preferably experimentally determined threshold value, which of the two measuring systems is currently delivering the more reliable results and can use this measuring system to determine the rotational position.
Besonders vorteilhaft wird zur Bildung des Vergleichsergeb- nisses aus den beiden Drehlagen αie Differenz des Betrages geoildet, da sich diese rechentechnisch mit geringem Aufwand oilden laßt und Vorzeichenemflusse eliminiert werden.The difference in the amount is formed particularly advantageously to form the comparison result from the two rotational positions, since this can be computationally calculated with little effort and sign effects are eliminated.
Besonders vorteilhaft wird nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren aas Gyroskop wahrend der Fahrt der autonomen mobilen Einheit kalibriert, falls die Odometriedaten im Augenblick verläßlich erscheinen, was anhand des Schwellenwertes entscme- αen werden kann.According to the method according to the invention, a gyroscope is particularly advantageously calibrated while the autonomous mobile unit is traveling if the odometry data appear reliable at the moment, which can be determined on the basis of the threshold value.
Vorteilhaft wird nach dem erf dungsgemaßen Verfahren ein Kaiman-Filter zur Schätzung des Offsets des Gyroskops verwendet, da dieser Filter vielseitig eingesetzt wird und bekannte Verfahren existieren um Schatzer für zeitabhängige Großen zu implementieren.According to the method according to the invention, a Cayman filter is advantageously used to estimate the offset of the gyroscope, since this filter is used in a variety of ways and known methods exist for implementing treasures for time-dependent variables.
Besonders vorteilhaft wird nach dem erfmdungsgemaßen Verfahren ein Fehlerzahler implementiert, welcher in Abhängigkeit des Schwellenwerte hochgezahlt wird und der nach Überschrei- ten einer zuvor festgelegten Fehlergrenze dazu verwendet wird, um einen Sensorfehler zu detektieren. Besonders vorteilhaft ist eine autonome mobile Einheit, welche Meßmittel zur Bestimmung von Wegmeßdaten und ein Gyroskop aufweist, deren Drehlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren festgelegt wird, da es somit erstmals möglich ist, ein Gyro- skop während der Fahrt zu kalibrieren.According to the method according to the invention, an error payer is implemented particularly advantageously, which is paid up as a function of the threshold values and which is used to detect a sensor error after a predetermined error limit has been exceeded. An autonomous mobile unit, which has measuring means for determining displacement measurement data and a gyroscope, the rotational position of which is determined by the method according to the invention, is particularly advantageous since it is thus possible for the first time to calibrate a gyroscope while driving.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Einheit in einem Referenzkoordinatensystem. Figur 2 veranschaulicht einen unsystematischen Fehler bei der Odometriemessung. Figur 3 zeigt als Beispiel einen Kaiman-Filter. Figur 4 zeigt ein Blockdiagramm als Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 5 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung des Sensorfehlers anhand des Schwellwertes und eines Fehlerzählers. Figur 1 zeigt das Bewegungsmodell eines autonomen FahrzeugsFigure 1 shows an example of a unit in a reference coordinate system. Figure 2 illustrates an unsystematic error in the odometry measurement. Figure 3 shows an example of a Cayman filter. FIG. 4 shows a block diagram as an example of a method according to the invention. FIG. 5 shows a method for determining the sensor error on the basis of the threshold value and an error counter. Figure 1 shows the movement model of an autonomous vehicle
AE. Als Beispiel ist die Konfiguration des mobilen Systems in Form von Position und Drehlage in einem festen Referenzsystem dargestellt. Diese Positonsangaben sind beispielsweise fortlaufend relati zum Koordinatensystem während der Fahrt zu bestimmen. Diese KonfigurationAE. The configuration of the mobile system in the form of position and rotational position in a fixed reference system is shown as an example. This position information is to be determined continuously, for example, relative to the coordinate system while driving. This configuration
zk = ,yk >θk]T E tt2 x [0, 2π] ( i ; zu einem beispielsweise periodisch durchgeführten Abtastschritt k besteht aus der (x, y) -Position und die Orientierung der autonomen mobilen Einheit in einem globalen Koordi- natensyste K: (x, y) . Besonders kritisch ist dabei die Bestimmung der Drehlage des Fahrzeugs, da ein - wenn auch kleiner - Orientierungsfehler bei laufender Fahrt einen immer größeren Translationsfehler verursacht. Erfindungsgemäß soll dieser Orientierungsfehler verringert werden, Indem die Meß- ergebnisse aus der Odometriemessung mit Sensoren OMl und OM2 an Radern Rl und R2 und von einem Gyroskop Gy kombiniert ausgewertet werden.z k =, y k> θ k ] T E tt 2 x [0, 2π] (i; for a periodically performed scanning step k consists of the (x, y) position and the orientation of the autonomous mobile unit in a global Coordinate system K: (x, y) The determination of the rotational position of the vehicle is particularly critical, since an orientation error - albeit a small one - causes an ever larger translation error while the vehicle is in motion. According to the invention, this orientation error is to be reduced. results from odometry measurement with sensors OMl and OM2 on wheels Rl and R2 and combined by a gyroscope Gy.
Zur Konfigurationsbestimmung und Bewegungsmodellierung wirα h er beispielsweise von einem autonomen System mit zwei ange- triebenen Hinterradern Rl und R2 ausgegangen. Kinematisch entspricht diese Antriebsform der weitverbreiteten Dreirad- K ematik, wie sie bei Autos und vielen mobilen Robotern vorzufinden ist. Dargestellt ist das Bewegungsmodell eines solchen autonomen Fahrzeugs in einem globalen Koordinatensystem K: (x, y) .For configuration determination and motion modeling, for example, an autonomous system with two driven rear wheels R1 and R2 is assumed. Kinematically, this form of drive corresponds to the widespread tricycle kematics found in cars and many mobile robots. The movement model of such an autonomous vehicle is shown in a global coordinate system K: (x, y).
Mit folgenden Gleichungen können kleine Änderungen von Position und Drehlage geschätzt werden,The following equations can be used to estimate small changes in position and rotational position,
u + u rriicc++ιι l lc - lu + u rriicc ++ ιι l lc - l
Xk+1 cos(θk)Xk + 1 cos (θ k )
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
Uk+i - θk + Uk + i - θk +
2WS wobei mit W3 die halbe Spurweite und mit Ur und Uj die Be- wegungsanderungen an den beiden Radern bezeichnet werαen. Der Index k kennzeichnet den diskreten Zustand. Bei der relativen Positionsbestimmung werαen hier bevorzugt keine Sensorinformationen über die externe Umwelt zur Positionsschatzung verwendet. Die Odometrie weist folgende Vorteile auf:2W S where W 3 denotes half the track width and U r and U j the movement changes on the two wheels. The index k denotes the discrete state. For the relative position determination, preferably no sensor information about the external environment is used for position estimation. Odometry has the following advantages:
l.kem zu bestimmender, driftbehafteter Offsetl.kem the drift offset to be determined
2. einfacher Inkrementalgeber2. simple incremental encoder
3. sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte 4.erlaubt die Bestimmung der Koordinaten und der Orientierung3. very robust against environmental influences such as temperature, air pressure and air humidity 4. allows the determination of the coordinates and the orientation
Ihre Nachteile sind:Your disadvantages are:
1.Schlupf der Rader bleibt unmodelliert „„,„„„,,- PCT/DE98/01866 O 99/042251.Slip of the wheel remains unmodified „„, „„ „,, - PCT / DE98 / 01866 O 99/04225
7 2. Durchdrehen der Räder aufgrund Überfahren von Türschwellen bzw. Kabeln oder Fliesenfugen führt zu einer fehlerhaften Schätzung der Drehlage7 2. Spinning the wheels due to running over thresholds or cables or tile joints leads to an incorrect estimate of the rotational position
Anhand eines Beispieles wird in Figur 2 die Verfälschung der Wegmeßergebnisse als einer dieser Nachteile erläutertUsing an example, the falsification of the displacement measurement results is explained as one of these disadvantages in FIG
Figur 2 zeigt als Beispiel, wie ein Rad über ein kleines Hin- dernis H fährt. Damit soll die Auswirkung eines unsystematischen Fehlers auf die Positionsschätzung gezeigt werden. In Figur 2 setzt ein Rad R mit Radius r gerade an, ein unbekanntes Hindernis H mit Höhe h zu überfahren. Idealisiert wird beispielsweise angenommen, daß sich das Rad R exakt und ohne Rutschen über den Kontaktpunkt C hinweg bewegt. Dabei rotiert der Radmittelpunkt M solange über den Kontaktpunkt C, bis er sich exakt über diesem in der Position M' befindet. Während dieser Bewegung messen bevorzugt die Rad-Encoder die Raddrehung φ, welche als die zurückgelegte Fahrstrecke dmβß interpre- tiert wird. Die wirkliche horizontale Bewegung des Rades in Bewegungsrichtung Bew ist aber nur dhor-As an example, FIG. 2 shows how a wheel travels over a small obstacle H. This is to show the effect of an unsystematic error on the position estimate. In FIG. 2, a wheel R with a radius r is about to pass an unknown obstacle H with a height h. For example, it is idealized that the wheel R moves exactly and without slipping over the contact point C. The wheel center M rotates over the contact point C until it is exactly above this in the position M '. During this movement, the wheel encoders preferably measure the wheel rotation φ, which is interpreted as the travel distance d mßß . The real horizontal movement of the wheel in the direction Bew is only d hor -
Wenn nur ein Rad der Einheit über dieses Hindernis fährt, läßt sich für dieses Rad eine Wegänderung Δd vonIf only one wheel of the unit drives over this obstacle, a path change Δd of
Δd = 2-|dfwΛ-d, (3; bestimmen. Der Faktor 2 ergibt sich aus der Tatsache, daß das Rad auf das Hindernis hinauf und dann wieder hinunter fahren muß.Δd = 2- | d fwΛ -d, (3; determine. The factor 2 results from the fact that the wheel has to drive up to the obstacle and then down again.
Bei einem Radradius r und einer Hindernishöhe h kann die Wegdifferenz mit r - h = r • cos(φ) wenn h < r dhor = r - sin(φ) (4 ) dmeß = r ' Φ bestimmt werden.With a wheel radius r and an obstacle height h, the path difference can be r - h = r • cos (φ) if h <rd hor = r - sin (φ) (4) d meas = r ' Φ be determined.
Wenn nur ein Rad eines Roboters mit Dreiradkinematik über das Hindernis fährt, so verursacht die Wegänderung Δd eines Rades bei der Positionsbestimmung einen Winkelfehler Aθ vonIf only one wheel of a robot with three-wheel kinematics drives over the obstacle, the change in path Δd of a wheel causes an angle error Aθ of when determining the position
ΔdΔd
Δθ =Δθ =
2WS bei einer halben Spurweite von W3.2W S with half a track width of W 3 .
Ein Rechenbeispiel mit den Dimensionen eines Experimentierroboters soll verdeutlicht die Auswirkungen. r = 60 mm h ~ \Q mm 2WS =300 mmA calculation example with the dimensions of an experimental robot should illustrate the effects. r = 60 mm h ~ \ Q mm 2W S = 300 mm
( 6 ) => Δd = 3,94 mm => AΘ = 0,013 [rad\ = 0,15° => Positionsfehler nach 10 m Geradeausfahrt: 130 mm Wenn ein Rad mit Radius r=6 cm über eine Schwelle von h=l cm fährt, ergibt sich ein Winkelfehler von Δθ= 0,75°. Dieser Winkelfehler verursacht z.B. bei einer nachfolgenden Geradeausfahrt von dist=10 m mit(6) => Δd = 3.94 mm => AΘ = 0.013 [rad \ = 0.15 ° => position error after 10 m straight travel: 130 mm If a wheel with radius r = 6 cm over a threshold of h = l cm, there is an angle error of Δθ = 0.75 °. This angular error causes e.g. on a subsequent straight ahead drive of dist = 10 m with
ΔT = dist•sin(Δθ) einen translatorischen Fehler ΔT von etwa 13 cm. Der Winkelfehler ist der eigentlich entscheidende Fehler, da der daraus resultierende Positionsfehler bei der Weiterfahrt unbegrenzt wächst.ΔT = dist • sin (Δθ) a translational error ΔT of approximately 13 cm. The angle error is actually the decisive error, since the resulting position error grows indefinitely when you continue driving.
Zur Verbesserung der Positions- und Drehlagenbestimmung einer autonomen mobilen Einheit kann deshalb zweckmäßigerweise ein zweites Meßmittel beispielsweise in Form eines Gyroskops oder eines Beschleunigungsaufnehmers eingesetzt werden, welches solche Fehler nicht aufweist. Dadurch kann die Rotation eines Roboters relativ bestimmt werden. Durch ein- oder zweimalige Integration der gemessenen Rohdaten wird die Drehlage bestimmt. Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß die Sensorsignale integriert werden müssen, um die gew nschte Meßgroße zu erhalten. Dabei fuhrt jeder kleinste konstante Fehler in den Sensordaten zu einer Drift der benotigten Meßgroße . Der Fehler bei der Bestimmung der Drehlage wachst damit über die Zeit ohne Grenzen. Wenn diese Systeme nur alleme benutzt werden, können sie deshalb eine genaue Bestimmung der Orientierung nur für einige Minuten gewährleisten.To improve the position and rotational position determination of an autonomous mobile unit, a second measuring means, for example in the form of a gyroscope or an accelerometer, which does not have such errors, can therefore be used expediently. This allows the rotation of a robot to be determined relatively. The rotational position is determined by integrating the measured raw data once or twice. The disadvantage of these systems is that the Sensor signals must be integrated in order to obtain the desired measurement size. Every smallest constant error in the sensor data leads to a drift of the required measurement quantity. The error in determining the rotational position thus grows over time without limits. If these systems are only used in general, they can therefore only guarantee an accurate determination of the orientation for a few minutes.
Das Gyroskop liefert am Ausgang beispielsweise eine Spannung oul;/ welche proportional der Winkelgeschwindigkeit ω ist.For example, the gyroscope delivers a voltage oul ; / which is proportional to the angular velocity ω.
Wenn die Spannung periodisch alle TG abgetastet wird, laßt sich die Drehlage mitIf the voltage is sampled periodically every T G , the rotational position can be with
θk+1 = θk + κ(Uout^ - OffsetkG (9) durch Euler-Vorwarts-Integration bestimmen, wobei K hier ei- nen gyroskopabhangigen Proportionalitatsfaktor mitDetermine θ k + 1 = θ k + κ (U out ^ - offset k ) τ G (9) by Euler-Forward integration, where K includes a gyroscope-dependent proportionality factor
K = 22,2 mV/ deg/ sec dθ) darstellt.K = 22.2 mV / deg / sec dθ).
Ein Hauptproblem stellt bei preisgünstigen Gyroskopen, welche für Konsumentenanwendungen wie Haushaltsroboter oder Postver- teiler besonders geeignet erscheinen, der Offset dar, welcher hauptsächlich von der Temperatur aber auch beispielsweise von der Luftfeuchtigkeit, der Emschaltzeit und anderen Faktoren abhangt. Bei handelsüblichen Gyroskopen kann sich der Offset bei einer Temperaturanderung um 3 K u ca. 100 mV andern. Das bedeutet einen kontinuierlichen Fehler vonA major problem with inexpensive gyroscopes, which appear particularly suitable for consumer applications such as household robots or mailing lists, is the offset, which mainly depends on the temperature, but also, for example, on the air humidity, the switching time and other factors. With commercially available gyroscopes, the offset can change with a temperature change of 3 K u approx. 100 mV. That means a continuous error of
(100/ 22,2) deg/ sec « 4 deg/ sec , UD der nur durch die Offsetverschiebung verursacht wird. Noch den Befunden experimenteller Untersuchungen sollte der Offset daher Bei alleiniger Verwendung des Gyroskops zur Orientie- rung bevorzugt ede Minute bei Stillstand nachkalibriert werden. Dann gilt:(100 / 22.2) deg / sec «4 deg / sec, UD which is only caused by the offset shift. According to the results of experimental investigations, the offset should therefore preferably be recalibrated every minute when the gyroscope is used for orientation. Then:
Offset = Uout . (12) Soll der Roboter beispielsweise einen Transportauftrag ausfuhren, ist ein Roboterstillstand pro Minute unannehmbar. Die Erfindung stellt daher ein Verfahren vor, welches ein Kali- brieren/Nacheicnen des Offsets wahrend der Roboterfahrt er- laubt.Offset = U out . (12) If the robot is to carry out a transport job, for example, a robot downtime per minute is unacceptable. The invention therefore presents a method which allows the offset to be calibrated / readjusted during the robot run.
Der Vorteil des Gyroskops besteht m seiner schlupfunabhängigen Bestimmung der Drehlage, seine Nachteile lauten:The advantage of the gyroscope is its slip-dependent determination of the rotational position, its disadvantages are:
l.Die Drehgeschwindigkeit wird bestimmt, für die Bestimmung der Drehlage muß diese aufintegriert werden. Sie ist damit sehr stark von einer exakten Bestimmung des Nullpunktes abhangig. 2. Der Nullpunkt ist einer sehr starken, zudem von wecnselnden Umwelteinflüssen abhangigen Drift ausgesetzt. Daher muß der Nullpunkt standig nachkalibriert werden. Bisherige Losung: Jede Minute Stillstand des Roboters für 2 Sekunden. 3.Es ist nur die Drehlage bestimmbarThe speed of rotation is determined, to determine the position of rotation it must be integrated. It is therefore very much dependent on an exact determination of the zero point. 2. The zero point is exposed to a very strong drift, which is also dependent on changing environmental influences. The zero point must therefore be constantly recalibrated. Previous solution: Every minute the robot comes to a standstill for 2 seconds. 3. Only the rotational position can be determined
Die Erfindung macht sich vorteilhaft die Vorteile der Odo e- tπe und der Messung mit Gyroskopen zu Nutze, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssenThe invention takes advantage of the advantages of the odo-etπe and the measurement with gyroscopes, without having to accept their disadvantages
Sie gewährleistet den kombinierten Einsatz von Odometrie und Gyroskop zur Drehlagenbestimmung eines mobilen Systems ohne notwendige Orientierungspausen für den Abgleich des Offsets beim Gyroskop. Ziel ist zum Abtastzeitpunkt (k+1) die Bestimmung der Wmkelanderung ΔΘOdometπeGyr0sk0p und damit dieIt guarantees the combined use of odometry and gyroscope to determine the rotational position of a mobile system without the need for orientation breaks to adjust the offset on the gyroscope. The aim at the time of sampling (k + 1) is to determine the change in the ΔΘ OdometπeGyr0sk0p and thus the
Drehlage der mobilen Einheit mittelsRotational position of the mobile unit using
θ +l = θk + Δθ Odometπe/Gyroskop < 1 3 > zu bestimmen. Hierzu wird bevorzugt nach folgendem Verfahren vorgegangen Bestimmung der Winkeländerungen mittels Odometrie (Index Odo) und Gyroskop (Index Gyro) zum Zeitpunkt (k+1)θ + l = θk + Δθ odometer / gyroscope < 1 3 >. The following procedure is preferred Determination of the angle changes using odometry (Index Odo) and gyroscope (Index Gyro) at the time (k + 1)
Ur-UιU r -Uι
Δθ OdoΔθ odo
Odometrie: 2WS = f(ur,u,)Odometry: 2W S = f (u r , u,)
ΔΘGyro = K(Uout-OfFsetk)Tc ΔΘ Gyro = K (U out -OfFset k ) T c
Gyroskop: = f(U0Ut,Offsetk)Gyroscope: = f (U 0Ut , offset k )
b) Vergleich der beiden Winkeländerungen nach folgendem Schemab) Comparison of the two angle changes according to the following scheme
Figure imgf000013_0001
99/04225
Figure imgf000013_0001
99/04225
1212th
Die beiden Sensoren liefern unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten. Wenn davon ausgegangen wird, daß beide Sensoren fehlerfrei arbeiten, ist es wesentlich plausibler, daß die korrekte Winkelgescnwin- digkeit vom Gyroskop geliefert wird. Die Räder können hier durchdrehen oder beispielsweise über eine Bodenunebenheit fahren.The two sensors deliver different angular velocities. If it is assumed that both sensors are working properly, it is much more plausible that the correct angular velocity is provided by the gyroscope. The wheels can spin here or drive over a bump, for example.
Bevorzugt sollte beachtet werden, das der Gyroskop-Offset nicht zu alt ist, d.h. auf jeden Fall nicht älter als ca. 1 Minute. Ansonsten konnte die Abweichung der Sensoren von einer Temperaturanderung herrühren.It should preferably be noted that the gyroscope offset is not too old, i.e. definitely not older than about 1 minute. Otherwise, the deviation of the sensors could result from a temperature change.
Bevorzugt wird das Gyroskop nicht nachkalibriert, wenn beide Sensoren unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten liefern.The gyroscope is preferably not recalibrated if both sensors deliver different angular velocities.
c) Kalibrierung des Gyroskop-Offsetsc) Calibration of the gyroscope offset
Ist der Unterschied zwischen den Winkelgeschwindigkeitswerten des Gyroskops und der Odometrie kleiner als ein beispielsweise experimentell bestimmter Schwellenwert, so kann angenommen werden, daß weder Odometriemessung noch Gyroskopmessung fehlerbehaftet sind. Zudem ist es sehr unwahrscheinlich, daß das Fahrzeug mit einem Rad über ein Hindernis, wie in Figur 2 dargestellt, gefahren ist, und somit die Odometrie negativ beeinflußt wurde. Deshalb wird die Odometrie zur Bestimmung der Drehlage herangezogen.If the difference between the angular velocity values of the gyroscope and the odometry is smaller than a threshold value determined experimentally, for example, it can be assumed that neither odometry measurement nor gyroscope measurement are faulty. In addition, it is very unlikely that the vehicle would have driven a wheel over an obstacle, as shown in FIG. 2, and thus the odometry was adversely affected. Therefore, odometry is used to determine the rotational position.
Der Meßwert des Gyroskops und die Odometriewerte werden erfindungsgemäß bevorzugt zusatzlich zur Kalibrierung/Nacheichung des Gyroskop-Offsets während der Fahrt der mobilen Einheit verwendet. Zu dessen Abschätzung mit Hilfe eines Filters zeigt Figur 3 ein Beispiel. Wie Figur 3 zeigt, kann zur Bestimmung des Gyroskop-Offsets beispielsweise ein Kaiman-Filter K eingesetzt werden. Da sich der zu schätzende Gyroskop-Offset sehr stark mit der Zeit verändert, sollte zur Kalibrierung ein iterativer oder rekur- siver Schätzer verwendet werden. Da die Meßdaten zusätzlich stark verrauscht sind (z.B. durch A/D-Wandlung) sollte der Schätzer bevorzugt Systemunsicherheiten und Meßrauschen zu berücksichtigen können.The measured value of the gyroscope and the odometry values are preferably used according to the invention additionally for calibration / re-calibration of the gyroscope offset while the mobile unit is traveling. FIG. 3 shows an example of its estimation using a filter. As FIG. 3 shows, a Kaiman filter K can be used, for example, to determine the gyroscope offset. Since the gyroscope offset to be estimated changes very strongly over time, an iterative or recursive estimator should be used for calibration. Since the measurement data is also very noisy (eg due to A / D conversion), the estimator should preferably be able to take system uncertainties and measurement noise into account.
Die Verwendung eines Kaiman-Filters K ist für solche Fälle günstig. Der Einsatz dieses Filters wird anschließend weiter erklärt.The use of a Cayman filter K is favorable for such cases. The use of this filter is then explained further.
Es sei hier aber ausdrücklich erwähnt, daß für das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich auch andere Filter geeignet wären, evtl. sogar Fuzzy-Regeln oder Neuronale Netze. Im Stand der Technik wird bereits von der Kalibrierung mit einem Kaiman-Filter berichtet. Im Gegensatz dazu, wo neben quasistatischen Parametern wie Offset, Verstärkungsfaktoren auch dynamische Variablen wie die Fahrzeugorientierung geschätzt werden, sollen erfindungsgemäß nur die Sensorparameter des Gyroskops wie der Offset und Verstärkungsfaktoren, insbesondere der Offset, optimiert werden, da sich dieser hauptsächlich auf die Drehlagebestimmung auswirkt. Auch hier könnte die Bestimmung der Fahrzeugorientierung mit in das Filter integriert werden. Dies würde allerdings die unten aufgeführte Fallunterscheidung erschweren.However, it should be expressly mentioned here that in principle other filters would also be suitable for the method according to the invention, possibly even fuzzy rules or neural networks. Calibration with a Cayman filter is already reported in the prior art. In contrast to this, where, in addition to quasi-static parameters such as offset, gain factors, dynamic variables such as vehicle orientation are also estimated, only the sensor parameters of the gyroscope such as the offset and gain factors, in particular the offset, should be optimized according to the invention, since this mainly affects the determination of the rotational position. Here, too, the determination of the vehicle orientation could be integrated into the filter. However, this would make the case distinction below difficult.
Als Zustände für das Kaiman-Filter werden die das Gyroskop kennzeichnenden Parameter, insbesondereThe parameters characterizing the gyroscope, in particular, are the states for the Kaiman filter
• der Nullpunkt → ΘQ^. • die Steigung der Kennlinie für positive θ → G~• the zero point → Θ Q ^. • the slope of the characteristic for positive θ → G ~
• die Steigung der Kennlinie für negative θ —> G~ verwendet .• The slope of the characteristic curve is used for negative θ -> G ~ .
Mit dem Zustandsvektor 99/04225With the state vector 99/04225
1414
AGyro σ Offset x = G+ (14) G- ergeben sich die Systemgleichungen zuAGyro σ Offset x = G + (14) G- the system equations result in
1 0 01 0 0
Xk+1 - 0 1 0 xk - A-xk - E-xk - xk (15) 0 0 1 X k + 1 - 0 1 0 x k - Ax k - Ex k - x k (15) 0 0 1
mit der Systemmatrix A (E = Einheitsmatrix) .with the system matrix A (E = unit matrix).
Je nachdem, ob die vom Gyroskop gelieferte Winkelgeschwindigkeitsmeßwert M größer oder kleiner dem aktuellen Nullpunkt ist, wird die Winkelgeschwindigkeit über die Meßgleichung des Kaiman-Filters zuDepending on whether the angular velocity measurement value M supplied by the gyroscope is greater or smaller than the current zero point, the angular velocity is increased via the measurement equation of the Cayman filter
A Gyro σ OffsetA Gyro σ offset
Zk = θ?"] = [- 1 M 0]. G' = H, Xt ( 16) G" bzw .Z k = θ? "] = [- 1 M 0]. G ' = H, Xt (16) G " or.
A Gyro u OffsetA Gyro u Offset
Zk-Θ?"]=[-1 0 M]- G+ = H, x, :i7; G" geschätzt. Diese wird dann bevorzugt mit der aus den Odometriedaten bestimmten Winkelgeschwindigkeit θk verglichen und die Differenz für die Schätzung der Gyroskopparameter verwendet. Aus diesen Gleichungen sowie den zugehörigen Kova- rianzmatrizen läßt sich ein Kaiman-Filter zur Schätzung der Gyroskopparameter aufbauen.Z k -Θ? "] = [- 1 0 M] - G + = H, x,: i7; G " estimated. This is then preferably compared with the angular velocity θ k determined from the odometry data and the difference is used for the estimation of the gyroscope parameters. A Kaiman filter for estimating the gyroscope parameters can be constructed from these equations and the associated covariance matrices.
Mit diesem Verfahren ist es nun möglich, das Gyroskop so zu kalibrieren, daß im Normalfall ohne Störung dessen Orientierungsschätzung mit der der Odometrie übereinstimmt. Im Fall einer detektierten Störung der Odometrie läßt sich dann die Fahrzeugorientierung mit Hilfe des Gyroskops zuverlässig bestimmen. d) Test: SensorfehlerWith this method it is now possible to calibrate the gyroscope in such a way that its orientation estimate normally matches that of the odometry without interference. In the case of a detected malfunction of the odometry, the vehicle orientation can then be reliably determined with the help of the gyroscope. d) Test: sensor error
Bei dem bisher beschriebenen Verfahren wurde immer von korrekt funktionierenden Sensoren ausgegangen. Natürlich kann es jederzeit vorkommen, daß ein Sensor ausfällt.In the method described so far, correctly functioning sensors were always assumed. Of course, it can happen at any time that a sensor fails.
■ Aus diesem Grund werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Odometrie und das Gyroskop bevorzugt auf Übereinstimmung ihrer Daten überwacht.For this reason, in the method according to the invention, the odometry and the gyroscope are preferably monitored for the agreement of their data.
Figur 5 zeigt als Beispiel ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung von Sensorfehlern anhand eines Fehlerzählers. Stimmen die Sensormeßergebnisse über F_max aufeinanderfolgenden Zyklen nicht überein, so liegt mit hoher Plausibilität ein Fehler entweder am Gyroskop oder bei der Odometrie vor. Bevorzugt sollte in diesem Fall der Roboter seine Mission abbrechen und stehen bleiben.FIG. 5 shows an example of a flow chart for determining sensor errors using an error counter. If the sensor measurement results over F_max consecutive cycles do not match, then there is a plausibility error in either the gyroscope or in odometry. In this case, the robot should preferably cancel its mission and stop.
Zusammengefaßt ergeben sich folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens:In summary, the following advantages of the method according to the invention result:
• Kombiniert Vorteile von Odometrie und Gyroskop• Combines advantages of odometry and gyroscope
• Ermöglicht „online"-Kalibrierung des Gyroskops während der Fahrt• Enables "online" calibration of the gyroscope while driving
• Macht sinnvollen Einsatz eines Billig-Gyroskops (mit instabilem Offset) erst möglich • ermöglicht Erkennung eines Sensorausfalls• Makes sensible use of a cheap gyroscope (with an unstable offset) possible. • Allows detection of a sensor failure
Die Zusammenhänge und die maßgeblichen Größen für das erfindungsgemäße Verfahren OV veranschaulicht Figur 4 in einem Blockschaltbild The relationships and the relevant variables for the OV method according to the invention are illustrated in FIG. 4 in a block diagram

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Festlegung der Drehlage einer autonomen mobilen Einheit mit folgenden Merkmalen: a) mittels Wegmessung mindestens an einem ersten Ort und an einem zweiten Ort der Einheit wird in Abhängigkeit einer ersten Bewegung der Einheit eine vom ersten Ort zurückgelegte erste Fahrstrecke und eine vom zweiten Ort zurückgelegte zweite Fahrstrecke in Form von ersten und zweiten Wegmeßdaten gemessen und aus der bekannten Lage der Orte an der Einheit, sowie einer bekannten Winkelfunktion eine erste Drehlagenänderung der Einheit ermittelt; b) mittels eines mit der Einheit verbundenen Gyroskops wird in Abhängigkeit der ersten Bewegung der Einheit deren Drehlagenänderung in Form von Drehlagenmeßdaten gemessen und als zweite Drehlagenänderung der Einheit ermittelt; c) die erste und zweite Drehlagenänderung werden miteinander verglichen und es wird ein erstes Vergleichsergebnis gebildet; d) die Drehlage der autonomen mobilen Einheit wird in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses festgelegt.1. Method for determining the rotational position of an autonomous mobile unit with the following features: a) by means of distance measurement at least at a first location and at a second location of the unit, depending on a first movement of the unit, a first travel distance traveled from the first location and one from the second The second distance traveled in the location is measured in the form of first and second distance measurement data and a first change in the rotational position of the unit is determined from the known position of the locations on the unit and a known angle function. b) by means of a gyroscope connected to the unit, the rotational position change in the form of rotational position measurement data is measured as a function of the first movement of the unit and is determined as the second rotational position change of the unit; c) the first and second changes in rotational position are compared with one another and a first comparison result is formed; d) the rotational position of the autonomous mobile unit is determined depending on the comparison result.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,bei dem Wegmessung mittels Odometrie durchgeführt wird2. The method according to claim 1, in which distance measurement is carried out by means of odometry
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Drehlage als erste Drehlage festgelegt wird.3. The method of claim 1 or 2, wherein the rotational position is set as the first rotational position.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Drehlage als zweite Drehlage festgelegt wird.4. The method according to claim 1 or 2, wherein the rotational position is determined as the second rotational position.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Vergleichsergebnis mit einem Schwellenwert verglichen wird und die Drehlage in Abhängigkeit davon festgelegt wird, ob der Schwellenwert größer, kleiner oder gleich dem Vergleichsergebnis ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, in which the comparison result is compared with a threshold value and the rotational position is determined depending on whether the threshold value is greater, less than or equal to the comparison result.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Drehlagenänderung bzw. die ersten und zweiten Wegmeßdaten, und die zweite Drehlagenänderung, bzw. die Drehlagenmeßdaten zu Zahlen umgeformt werden und als Ver- gleichsergebnis der Betrag der Differenz der ersten und zweiten Drehlagenänderung gebildet wird.6. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the first change in rotational position or the first and second displacement measurement data, and the second change in rotational position or the rotational position measurement data are converted into numbers, and the result of the comparison is the amount of the difference between the first and second rotational position changes becomes.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 ohne 4, bei dem das Gyroskop einen Offset aufweist und dieser mittels der ersten Drehlagenänderung während der Fahrt der Einheit kalibriert wird.7. The method according to any one of claims 2 to 6 without 4, in which the gyroscope has an offset and this is calibrated by means of the first change in rotational position while the unit is traveling.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zur Kalibrierung ein Kaiman-Filter als iterativer Schätzer des Offsets verwen- det wird, dem die erste und die zweite Drehlagenänderung zugeführt werden.8. The method according to claim 7, in which a Kalman filter is used for the calibration as an iterative estimator of the offset, to which the first and the second change in rotational position are supplied.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem in Abhängigkeit des Über- bzw. Unterschreitens des Schwellen- wertes ein Fehlerzählwert gezählt wird und falls dieser je nach Zählweise eine festgelegte Fehlerschranke über- bzw. unterschreitet ein Meßfehler detektiert wird.9. The method as claimed in one of claims 5 to 8, in which an error count is counted as a function of the exceeding or falling below the threshold value and, if this exceeds or falls below a specified error limit depending on the counting method, a measurement error is detected.
10. Autonome mobile Einheit mit Drehlagenfestlegung, a) welche Mittel zur Wegmessung einer ersten Bewegung der10. Autonomous mobile unit with determination of the rotational position, a) which means for measuring a first movement of the path
Einheit mindestens an einem ersten Ort und an einem zweiten Ort aufweist, die eine vom ersten Ort zurückgelegte erste Fahrstrecke und eine vom zweiten Ort zurückgelegte zweite Fahrstrecke in Form von ersten und zweiten Wegmeß- daten messen; b) welche ein Gyroskop zur Messung einer zweiten Drehlagenänderung aufweist; c) welche Auswertemittel zur Berechnung einer ersten Drehlagenänderung aus den ersten und zweiten Wegmeßdaten mittels einer bekannten Winkelfunktion aufweist; d) welche Vergleichsmittel zum Vergleich der ersten und der zweiten Drehlagenänderung aufweist; und die Festlegungsmittel zur Festlegung der Drehlage der autonomen mobilen Einheit in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses aufweist. Unit at least at a first location and at a second location, which measure a first route covered by the first location and a second route covered by the second location in the form of first and second distance measurement data; b) which has a gyroscope for measuring a second change in rotational position; c) which evaluation means for calculating a first change in rotational position from the first and second displacement measurement data by means of a known angle function; d) which comparison means has for comparing the first and the second change in rotational position; and has the fixing means for fixing the rotational position of the autonomous mobile unit as a function of the comparison result.
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