BR112013020667B1 - método para localização autônoma de veículo motorizado sem motorista - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA LOCALIZAÇÃO AUTÔNOMA DE VEÍCULO MOTORIZADO, SEM MOTORISTA. A presente invenção refere-se a um método para a localização autônoma de um veículo motorizado sem motorista dentro de um ambiente conhecido pelo uso de um sensor de mensuração de alcance, que é disposto no veículo e em que a direção de mensuração ou plano de medição pode ser alterado pelo acionamento de pelo menos um motor sensor, em que o método tem as seguintes etapas: um mapa do ambiente é produzido pelo uso de pontos de referência naturais; uma rota predeterminada ao longo da qual o veículo que se pretende mover é especificado; aqueles pontos de referência que podem servir como um auxílio na localização ao longo da rota predeterminada são determinados; o ambiente é digitalizado em diferentes momentos pelo uso do sensor a fim de detectar os pontos de referência determinados previamente enquanto o veículo está se movendo ao longo da rota predeterminada; e o veículo é localizado pela comparação dos pontos de referência detectados com os pontos de referência registrados no mapa; em que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor é/são ativamente controlada(s) pelo menos em áreas do ambiente com (...).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um método para a localização autônoma de um veículo motorizado sem motorista dentro de um ambiente conhecido usando pelo menos um sensor.

[0002] Métodos desse tipo são conhecidos em uma variedade de desenhos da técnica anterior. Eles servem para determinar a posição de um veículo motorizado sem motorista e através desse meio a navegação do veículo sem motorista é permitida.

[0003] Os métodos de localização desse tipo são usados, por exemplo, no campo da logística de um estabelecimento comercial. Para o transporte de carga neste domínio, veículos motorizados sem motorista estão sendo cada vez mais usados a fim de se obter um alto nível de automação.

[0004] Existem métodos de localização que fazem uso de pontos de referência ”artificiais” na forma de instalações adicionais, tais como marcadores de refletores, fios de guia, estações de rádio ou semelhantes. Esses pontos de referência artificiais são colocados dentro do ambiente conhecido em que o veículo deve ser localizado de modo que, primeiramente, pontos de referência suficientes estão presentes para localização segura e, em segundo lugar, de modo que a complexidade e os custos de equipamento associados são mantidos tão baixos quanto possível. Como o sensor para detectar os pontos de referência artificiais, por exemplo, um sensor de medição de distância na forma, por exemplo, de um scanner a laser, pode ser usado, o qual é montado no veículo e é articulado uniformemente para trás e para frente em torno de um eixo pivô usando um motor sensor.

[0005] Entretanto, métodos de localização autônoma não usam pontos de referência artificiais, mas pontos de referência naturais como elementos estruturais geométricos presentes no ambiente em forma de tubos, vigas, colunas e similares. Dessa forma, é alcançado um alto grau de flexibilidade com localização altamente acurada sem interferir sobre o ambiente. Isso tem a vantagem, em particular, de que rotas de veículos podem ser alteradas sem qualquer grande custo financeiro ou de tempo. Nesse caso ainda, um scanner à laser, o qual é montado no veículo e é pivotado para frente e para trás em torno de um eixo de pivotamento, pode servir como o sensor.

[0006] Esses métodos de localização autônoma funcionam bem desde que esteja disponível a informação suficiente sobre o ambiente na forma de pontos de referência naturais, que podem ser detectados com um sensor adequado. Na prática, porém, ocorre frequentemente que algumas regiões do ambiente têm apenas poucos pontos de referência que podem servir para localização do veículo. Nessas regiões, portanto, é particularmente importante detectar e usar realmente a pequena quantidade de informação disponível. Contudo, a detecção adequada de pontos de referência pelo sensor usado só pode ser assegurada através de uma densidade de dados de medição adequadamente grande, para a qual uma quantidade de tempo particular é requerida. Em consequência, todo o ambiente do veículo não pode ser detectado imediatamente, mas apenas gradualmente, com um deslocamento cronológico correspondente. Isso pode ter o efeito de que, devido ao movimento do veículo, algumas regiões do ambiente não são detectadas em absoluto ou apenas inadequadamente. Em outras palavras, pode ocorrer que pontos de referência sejam passados sem serem detectados. Em regiões onde pontos de referência suficientes estão presentes, isso usualmente não é problemático.

[0007] Contudo, em regiões onde existem apenas poucos pontos de referência, a não detecção de um ponto de referência pode ter o resultado de que o veículo não pode mais ser localizado, o que leva à parada do veículo.

[0008] Partindo dessa técnica anterior, é um objetivo da invenção proporcionar um método do tipo mencionado acima, em que é assegurado que pontos de referência em regiões críticas do ambiente em que há apenas poucos pontos de referência também são detectados com segurança a fim de, dessa maneira, impedir o veículo de chegar a uma paralisação.

[0009] A fim de atingir esse alvo, a presente invenção proporciona um método para a localização autônoma de um veículo motorizado sem motorista dentro de um ambiente conhecido usando um sensor de medição de distância disposto no veículo, a direção de medição ou plano de medição do qual pode ser mudado pelo controle de pelo menos um motor sensor, o método compreendendo as seguintes etapas: criação de um mapa do ambiente baseado em pontos de referência naturais; definição de uma rota predeterminada ao longo da qual o veículo deve se mover; a determinação daqueles pontos de referência que podem servir como um auxiliar na localização ao longo da rota predeterminada; digitalização do ambiente em diferentes pontos no tempo usando o sensor para detectar os pontos de referência previamente determinados enquanto o veículo está se movendo ao longo da rota predeterminada; e localização do veículo por meio da comparação dos pontos de referência detectados com os pontos de referência registrados no mapa; em que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor é/são controladas, pelo menos em áreas do ambiente com apenas poucos pontos de referência previamente determinados, de modo que o sensor é orientado ativamente em direção aos referidos pontos de referência a fim de assegurar que eles são detectados. Em outras palavras, o sensor é guiado ativamente, pelo menos em regiões do ambiente tendo apenas poucos pontos de referência e é orientado em direção aos pontos de referência em que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor são mudadas, em consequência. Dessa maneira, a detecção dos pontos de referência em regiões críticas do ambiente é assegurada, de modo que a posição corrente do veículo não pode se tornar perdida. Como um resultado, nem uma paralisação do veículo nem uma interrupção da navegação do veículo pode ocorrer.

[00010] De acordo com uma modalidade da presente invenção, um scanner a laser que mede em um plano é usado como o sensor, o plano de medição do qual é articulável pelo controle do motor sensor. O espaço de medição é detectado correspondentemente em três dimensões através da combinação do movimento do motor e do plano do laser.

[00011] Alternativamente, um laser de feixe único, que é preso em um motor e é articulável em torno de dois eixos pivô, é uado como o sensor. De modo alternativo, o seu feixe também pode ser defletido por meio de um espelho disposto para ser articulável em torno de dois eixos pivô em um motor.

[00012] De preferência, durante a localização do veículo, a velocidade do veículo detectada por um outro sensor é levada em consideração. Levando em conta a velocidade corrente do veículo, em primeiro lugar, a velocidade em que o motor sensor deve ser acionado a fim de garantir o registro seguro de pontos de referência específicos pode ser determinada muito precisamente. Em segundo lugar, as digitalizações realizadas em diferentes pontos no tempo podem ser ligadas logicamente umas com as outras via a velocidade do veículo.

[00013] De acordo com outra modalidade, a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor é/são controladas de modo que o sensor digitaliza pelo menos pontos de referência em regiões do ambiente com apenas poucos pontos de referência previamente determinados mais intensivamente do que outros pontos de referência, em particular através de uma duração relativamente longa. Por meio do aumento da densidade dos dados de medição, o valor esperado da incerteza posicional do veículo pode ser minimizado porque o erro de um elemento estrutural geométrico ou de um ponto de referência natural se torna menor à medida que o número de medições aumenta.

[00014] Regiões em que a informação pode ser obtida, por outro lado, são observadas, de preferência com uma intensidade reduzida ou não, em absoluto. Desse modo, o número de medições desnecessárias cai drasticamente, simplificando o processamento dos dados de medição detectados, porque, através de observação exclusivamente de regiões relevantes, o esforço de cálculo para localização do veículo é reduzido.

[00015] Outros recursos e vantagens da presente invenção serão agora descritos em detalhes através de referência à descrição subsequente de uma modalidade preferida de um método de localização autônoma de acordo com a invenção, levando em conta os desenhos anexos, em que: A Fig. 1 é uma vista de plano esquemática de um veículo motorizado a ser localizado; As Figuras 2 a 4 são vistas de plano esquemáticas que ilustram o funcionamento de um método de localização autônoma e as desvantagens associadas; e As Figuras 5 a 8 são vistas de plano esquemáticas que ilustram o funcionamento de um método de localização de acordo com uma modalidade da presente invenção e as vantagens associadas. Os mesmos sinais de referência abaixo se referem aos mesmos ou a componentes similares. A Fig. 1 mostra uma vista de plano esquemática de um veículo motorizado sem motorista 10 que deve ser localizado usando um método de localização autônoma dentro de um ambiente conhecido 12, que, no presente caso, é delimitado por duas paredes 14 e 16, dispostas em oposição uma à outra. A localização do veículo 10 é realizada usando pontos de referência naturais na forma das paredes 14 e 16 e na forma de elementos estruturais geométricos 18a, b, c, d, e, f presentes no ambiente 12, como tubos, barras, colunas e semelhantes. Esses pontos de referência naturais 14, 16, 18a - 18f são detectados durante movimento do veículo 10 na direção de movimento indicada pela seta 20 com o auxílio de um sensor de medição de distância 22 disposto no veículo 10, o sensor sendo um scanner a laser no presente caso. O sensor 22 é disposto em um motor sensor 24, de modo que o seu plano de medição 25 é articulável em torno de um eixo pivô (não mostrado em detalhes) pelo controle do motor sensor 24. Através da articulação do sensor 22, conforme indicado pela seta 26, o ambiente 12 pode ser digitalizado em uma maneira tridimensional, em consequência, a fim de, dessa maneira, detectar os pontos de referência 14, 16, 18. O círculo 28 simboliza a incerteza posicional do veículo 10 nas direções de X e de Y.

[00016] Em um método de localização autônoma, o motor sensor 24 é acionado continuamente em uma velocidade constante V0 na direção da seta 26 para detectar os pontos de referência 14, 16, 18a -18f. A velocidade V0 é selecionada de modo que o sensor 22 detecta o ambiente com uma densidade de dados suficientemente grande. Em outras palavras, o sensor 22 não pode ser girado em qualquer velocidade desejada, uma vez que, de outro modo, a detecção dos pontos de referência 18a - 18f não seria possível. A fim de localizar o veículo 10 no ambiente 12, os pontos de referência 14, 16, 18 detectados são, então, comparados com pontos de referência registrados em um mapa criado previamente. Dessa maneira, o veículo 10 pode ser navegado.

[00017] Na detecção das paredes ou pontos de referência 14, 16, os referido itens, essencialmente, fornecem informação de localização referente à posição de Y e a orientação do veículo 10. Uma vez que os pontos de referência 18a - 18f tenham sido detectados, os referidos pontos de referência, essencialmente, fornecem informação de localização referente à posição de X do veículo 10.

[00018] A detecção dos pontos de referência 14, 16 não é crítica, devido a sua extensão no presente exemplo. O acionamento sem a detecção dos referidos pontos de referência não é possível. Portanto, a localização do veículo na posição de Y e orientação são proporcionadas sempre. Em contraste, a localização das posições de X do veículo é crítica, como mostra a descrição a seguir.

[00019] Devido ao movimento do veículo 10 e ao tempo necessário para digitalização do ambiente na densidade de dados requerida, pode ocorrer que alguns dos pontos de referência 18a - 18f não são detectados. Esse é o caso, se o sensor 22 for orientado em outra direção, enquanto o veículo 10 aciona além de um dos pontos de referência 18a - 18f, particularmente em uma direção diferente. Os pontos de referência relevantes 18a - 18f são, portanto, "ignorados". Em regiões do ambiente em que pontos de referência suficientes 18a - 18f estão presentes, isso não é problemático porque outros pontos de referência 18a - 18f suficientes são detectados com base no que, a localização do veículo 10 pode ser realizada. O que é crítico, porém, é "ignorar" em regiões do ambiente com apenas poucos pontos de referência, como mostra a descrição baseada nas Figuras 2 a 4.

[00020] As Figuras 2 a 4 mostram eventos instantâneos durante a digitalização de uma região de ambiente em que apenas um único ponto de referência 18g está presente que pode ser usado para localização do veículo 10 dentro dessa região de ambiente. A Fig. 1 mostra o veículo 10 se movendo na direção da seta 20, em uma primeira posição em que o sensor 22 é orientado na direção da parede 14. Se o veículo 10 for agora movido da posição mostrada na figura 2 na direção da seta 20 para a posição mostrada na Fig. 3, enquanto o sensor 22 é girado na direção da seta 26 pela atuação do motor sensor 24 na velocidade constante V0, a incerteza posicional na direção de Y se aperfeiçoa devido ao fato de que as distâncias da parede 14 têm sido detectadas pelo sensor 22. Em contraste, a incerteza posicional na direção de X aumenta, uma vez que nenhum ponto de referência poderia ser detectado nessa seção. Se o veículo 10 for agora movido da posição mostrada na Fig. 3 na direção da seta 20 para a posição mostrada na Fig. 4 está claro que o ponto de referência 18g será ignorado, sem que o sensor 22 seja capaz de detectar o referido ponto de referência. Aqui, a incerteza posicional na direção de X aumenta de modo que a localização do veículo 10 dentro do ambiente 12 não mais possível e, por essa razão, o veículo 10 chega a parar.

[00021] Esse problema é resolvido pelo método de localização autônoma da invenção, conforme descrito em maiores detalhes abaixo por meio de referência às Figuras 5 a 8, com base em uma modalidade exemplificativa do método da invenção.

[00022] Em uma primeira etapa, no método de localização autônoma da invenção de acordo com uma modalidade exemplificativa da presente invenção, um mapa do ambiente12 é criado com base nos pontos de referência naturais 14, 16, 18 ali contidos. Em uma etapa subsequente, uma rota predeterminada ao longo da qual o veículo 10 deve se mover dentro do ambiente 12 é definida. Em seguida, os pontos de referência 18 que podem servir como um auxílio de localização ao longo da rota predeterminada são determinados. Durante esse processo, regiões críticas do ambiente são identificadas em que apenas poucos dos pontos de referência 18, previamente identificados, estão presentes.

[00023] O veículo 10 é agora movido na direção da seta 20 em uma velocidade uniforme ao longo da rota predeterminada e o motor sensor 24 é acionado em uma velocidade constante V0 a fim de articular o sensor 22. Se o veículo 10 entrar em uma das regiões críticas de ambiente identificadas anteriormente em que apenas poucos pontos de referência são proporcionados - no presente caso, apenas um único ponto de referência 18g, conforme mostrado na Fig. 2 - o motor sensor 24 é acelerado ativamente da velocidade V0 para a velocidade V1, de modo que o sensor 22 gira significativamente mais rápido na direção da seta 26. Nesse processo, a incerteza posicional na direção de Y se reduz, conforme mostrado na Fig. 6, enquanto a incerteza posicionada na direção de X aumenta, conforme descrito acima em relação às Figuras 2 e 3. Antes do ponto no tempo em que o sensor 22 detecta o ponto de referência 18g, o motor sensor 24 é controlado ativamente mais uma vez a fim de reduzir a velocidade V1 para uma velocidade V2, V2 sendo menor do que V0. Isso tem o resultado de que o sensor 22 detecta o ponto de referência 18g com uma densidade de dados de medição muito alta, de modo que a incerteza posicional na direção de Z é grandemente reduzida, conforme mostrado na Fig. 7. Após a detecção do ponto de referência 18g pelo sensor 22, o motor sensor 24 é mais uma vez controlado ativamente a fim de aumentar a sua velocidade mais uma vez, por exemplo, para a velocidade V0, conforme mostrado na Fig. 8.

[00024] Deve ser tornado mais claro que não só a velocidade do motor sensor, mas também a direção de rotação do motor sensor 24 pode ser mudada para assegurar a detecção de ponto de referência. Alternativamente, o sensor 22 pode ser um laser de feixe único montado em um motor, girável em torno de dois eixos pivô, ou o seu feixe de medição é defletido por meio de um espelho preso a um motor para ser girável em torno de dois eixos pivô.

[00025] Uma vantagem significativa do método de localização autônoma de acordo com a invenção quando comparado com o método descrito em relação às Figuras 2 a 4 reside em que o controle ativo do motor sensor 24 é assegurado, em que os pontos de referência também são detectados nas regiões do ambiente em que apenas poucos pontos de referência estão disponíveis, de modo que o veículo 10 pode sempre ser localizado dentro do ambiente 12. A perda da posição do veículo e o cessar associado da navegação são impedidos. Uma redução na velocidade do veículo em regiões críticas do ambiente para assegurar que a detecção de pontos de referência também não é requerida. A redução na velocidade do motor sensor da velocida V1 para a velocidade V2 nas proximidades de um ponto de referência 18g em uma região crítica do ambiente permite que a densidade dos dados de medição seja aumentada e, dessa maneira, a detecção segura do ponto de referência 18g relevante seja obtida. O aumento da velocidade do motor sensor de V0 para V1 e a redução associada na densidade dos dados de medição leva que a seção de ambiente correspondente seja digitalizada menos intensivamente. Isso não é problemático uma vez que a análise previamente realizada da rota predeterminada produziu o resultado de que, na seção de ambiente que o sensor 22 digitaliza durante a aceleração do motor sensor 24, não há pontos de referência 18 relevantes presentes. Em seções de ambiente sem pontos de referência 18, a digitalização também pode ser dispensada inteiramente, fazendo com que a incerteza posicional na direção de Y não seja grande demais. Quanto menos dados de medição desnecessários são registrados, mais rápido e mais simplesmente o veículo 10 pode ser localizado dentro do ambiente 12.

[00026] Se a velocidade do veículo não for constante, então a referida velocidade é detectada, de preferência, por um sensor adequado, por exemplo, usando um sensor que detecta a velocidade giratória das rodas de veículo. A velocidade de veículo detectada no momento é, então, levada em consideração para a localização do veículo 10.

Claims (6)

1. Método para a localização autônoma de um veículo motorizado sem motorista (10) dentro de um ambiente (12) conhecido usando um sensor (22) de medição de distância disposto no veículo (10), a direção de medição ou plano de medição do qual pode ser mudado pelo acionamento de pelo menos um motor sensor (24), sendo que o método apresenta as etapas a seguir - criação de um mapa do ambiente (12) com base em pontos de referência naturais (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g); - determinação de uma rota predeterminada, ao longo da qual o veículo (10) deve se mover; - determinação daqueles pontos de referência (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g) que podem servir como auxílio na localização ao longo da rota predeterminada; - digitalização do ambiente (12) em diferentes pontos no tempo usando o sensor (22) para detectar os pontos de referência previamente determinados (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g), enquanto o veículo (10) se move ao longo da rota predeterminada; e - localização do veículo (10) pela comparação dos pontos de referência detectados (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g) com os pontos de referência (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g) marcados sobre o mapa; caracterizado pelo fato de que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor (24) é/são controlada(s) ativamente pelo menos em regiões de ambiente com apenas poucos pontos de referência (18g) previamente determinados, de modo que o sensor (22) é orientado em direção a esses pontos de referência (18g), a fim de assegurar sua detecção.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, como sensor (22), é usado um scanner a laser, que mede em um plano, cujo plano de medição é articulável pelo acionamento do motor sensor (24).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, como sensor (22), é usado um laser de feixe único, que é fixado em um motor de modo girável em torno de dois eixos pivô, ou cujo feixe de medição é defletido por meio de um espelho preso a um motor de modo girável em torno de dois eixos pivô.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que durante a localização do veículo (10), a velocidade de veículo detectada por um sensor adicional é levada em consideração.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor (24) é/são controlada(s) de modo que o sensor (22) digitaliza pelo menos pontos de referência (18g) em regiões de ambiente com apenas poucos pontos de referência determinados previamente mais intensivamente do que outros pontos de referência (14, 16, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f), em particular por uma duração mais longa.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a velocidade e/ou a direção de rotação do motor sensor (24) é/são controlada(s) de modo que o sensor (22) digitaliza regiões irrelevantes do ambiente, que não apresentam pontos de referência previamente determinados, com uma intensidade menor do que outras regiões de ambiente ou não digitaliza de modo algum.

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