BR112020010365A2

BR112020010365A2 - processo e dispositivo para operação de um sistema móvel

Info

Publication number: BR112020010365A2
Application number: BR112020010365-9A
Authority: BR
Inventors: Udo Schulz; Peter Hertkorn
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2017-11-27
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-11-10
Also published as: WO2019101651A1; US20200278680A1; CN111373338A; DE102017221134A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um processo para operação de um sistema móvel (200), apresentando as etapas de: detectar um perfil 3D de uma extensão de deslocamento à frente de comprimento definido; determinar uma trajetória teórica (ST) do sistema móvel (200) e/ou de uma ferramenta (210) do sistema móvel (200) com base no perfil 3D detectado; e operar de forma definida o sistema móvel (200) considerando-se a trajetória teórica (ST) ao longo da extensão de deslocamento.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO E DISPOSITIVO PARA OPERAÇÃO DE UM SISTEMA MÓVEL".

[001] A invenção refere-se a um processo para operação de um sis- tema móvel. A invenção refere-se ainda a um dispositivo para operação de um sistema móvel. A invenção refere-se ainda a um produto de programa de computador. Estado da técnica

[002] São conhecidos sistemas de câmera que estão integrados em sistemas de assistência de direção de veículos. Em câmeras estereoscópi- cas são recebidas duas ou mais imagens da mesma cena de diversas posi- ções de câmera. A partir da posição de um determinado ponto de cena em pelo menos duas imagens pode-se determinar uma posição no espaço com conhecimento de parâmetros de calibragem intrínsecos e extrínsecos da câmera.

[003] Com tais câmeras é possível elaborar um mapa de perfil de su- perfície em 3D ("Disparitätskarte" = mapa de disparidade) do fundo no cam- po de visão da câmera.

[004] Em princípio, sistemas de medição de distanciamento também podem ser empregados para elaboração de tais mapas de perfil de superfí- cie, como por exemplo, sistemas de LIDAR de escaneamento, câmeras Ti- me-of-Flight (tempo de voo), etc.

[005] Especialmente na economia agrícola sistemas de direção auto- máticos protegidos por GPS têm cada vez mais penetração. Esses sistemas ajudam também no caso de difíceis condições ambientais e/ou condutores inexperiente a utilizarem larguras de trabalho completas e a evitarem, tanto quanto possível, sobreposições de regiões de trabalho.

[006] Para elevar a precisão, as imprecisões provocadas por perturba- ções do tempo de operação na troposfera e ionosfera, erros de trajetória e de relógios de satélites têm que ser corrigidos por meio dos chamados sinais de correção de chamada RTK (Real Time Kinematik = Cinemática em Tem- po Real).

[007] A detecção dos dados de GPS pressupõe que a posição exata da antena seja conhecida. Esta encontra-se, via de regra, no meio de um teto de cabine de condutor da máquina agrícola. Entre a posição determina- da e a efetiva da máquina agrícola acima do solo podem existir desvios (por exemplo, em virtude de inclinação, direção de movimento e suas alterações, etc.), os quais podem ser metidos, por exemplo, por meio de sensores de aceleração e giroscópios.

[008] Uma junção e processamento de dados de GPS, RTK, acelera- ção e giroscópio ocorre no chamado "Steering-Controler" (controlador de direção) ou também na IMU (ingl. Inertial Measurement Unit = Unidade de Medição de Inércia). Nesse caso, são empregados, por exemplo, filtros Kal- man. Por fim são controlados membros de ajuste hidráulicos de ferramentas e/ou servocomando no volante, etc. Divulgação da invenção

[009] É um objetivo da presente invenção prover um processo aperfei- çoado para operação de um sistema móvel.

[0010] O objetivo é alcançado, de acordo com um primeiro aspecto, com um processo para operação de um sistema móvel, o qual apresenta as etapas de: - detectar um perfil 3D de uma extensão de deslocamento à fren- te de comprimento definido; - determinar uma trajetória teórica do sistema móvel e/ou de uma ferramenta do sistema móvel com base no perfil 3D detectado; e - operar de forma definida o sistema móvel considerando a traje- tória teórica ao longo da extensão de deslocamento.

[0011] Vantajosamente, desta maneira pode-se proceder a um manu- seio definido com o veículo, conhecendo-se um perfil de superfície tridimen- sional preciso da extensão de deslocamento do sistema móvel à frente ou de um veículo. Especialmente, conhecendo-se o perfil de superfície tridimensi- onal de alta precisão, pode-se determinar uma trajetória precisa do veículo, a qual realiza então um controle de pelo menos um atuador do sistema mó- vel ou do veículo, considerando mecânica, cinemática, hidráulica etc. Vanta- josamente, desta maneira fica apoiado um funcionamento do sistema móvel fica apoiado independente de irregularidades e ondulações do solo.

[0012] De acordo com um segundo aspecto o objetivo é alcançado com um dispositivo para operação de um sistema móvel, apresentando: - um dispositivo de sensor para detecção tridimensional de um campo periférico do sistema móvel; e - um dispositivo de predição, o qual está configurado para, com o auxílio do campo periférico detectado tridimensionalmente, determinar com precisão uma trajetória teórica para o sistema móvel e/ou uma ferramenta do sistema móvel; - um dispositivo de controle, o qual está configurado para contro- lar o sistema móvel e/ou a ferramenta do sistema móvel de modo corres- pondente à trajetória teórica.

[0013] Desenvolvimentos vantajosos do processo são objeto de reivin- dicações dependentes.

[0014] Um desenvolvimento vantajoso do processo prevê que seja rea- lizado o seguinte: - determinação precisa de trajetórias de rodas do sistema móvel e/ou da ferramenta do sistema móvel; - determinação de um desvio preciso da trajetória teórica preci- sa; e - determinação de valores de controle prévio para um gerencia- mento de atuador com precisão.

[0015] Desta maneira, conhecendo-se o perfil 3D de alta precisão, con- trola-se um gerenciamento de atuador com precisão, o qual considera ou compensa, tanto quanto possível, irregularidades ou heterogeneidades da faixa de deslocamento à frente para o sistema móvel. O gerenciamento de atuador pode compreender um gerenciamento para uma ferramenta ou um controle de uma ferramenta do sistema móvel.

[0016] Outro desenvolvimento vantajoso do processo prevê que, para a ferramenta, pelo menos um dos seguintes é ajustado: altura, alinhamento, inclinação. Desta maneira a ferramenta do sistema móvel é operada de mo- do adaptado à topologia da faixa de deslocamento à frente, tanto quanto possível.

[0017] Outro desenvolvimento vantajoso do processo prevê que, para o caso de que não se possa manter a ferramenta por meio da trajetória teórica para a ferramenta, haja uma intervenção também na direção do sistema mó- vel. Assim pode-se realizar uma compensação ainda melhor das irregulari- dades da faixa de deslocamento à frente, para o sistema móvel.

[0018] Outro desenvolvimento vantajoso do processo prevê que, para detecção do perfil 3D, pelo menos um dos seguintes é empregado: Lidar, Radar, Câmera 3D, câmera Time-of-Flight. Assim podem ser empregados dispositivos de sensor, os quais, em virtude de sua característica de detec- ção, estão adaptados, tanto quanto possível, ao campo periférico a ser de- tecto.

[0019] Outro desenvolvimento vantajoso do processo distingue-se pelo fato de que, a partir de uma imagem de câmera, são calculados movimentos próprios do sistema móvel. Desta maneira, a partir da imagem, são calcula- dos distúrbios intermitentes, pelo que se proporciona uma imagem tranquila, o que é vantajoso para a determinação seguinte dos movimentos precisos de atuadores.

[0020] Outro desenvolvimento vantajoso do processo está caracteriza- do pelo fato de que o perfil 3D é detectado em uma região de trabalho da ferramenta. Desta maneira realiza-se uma detecção 3D eficiente do campo periférico do sistema móvel, pelo que se emprega com eficácia a capacidade de cálculo.

[0021] Outro desenvolvimento vantajoso do processo distingue-se pelo fato de que a determinação da trajetória teórica e uma determinação de da- dos de atuadores correspondente são realizadas por meio de um único apa- relho de controle. Assim podem ser reduzidos vantajosamente tempos de latência, pelo que a realização do processo proposto é tão rápida quanto possível.

[0022] A invenção é descrita detalhadamente a seguir com outras ca- racterísticas e vantagens com o auxílio de várias figuras. Nesse caso todas as características descritas ou representadas, em si ou em qualquer combi- nação, formam o objeto da invenção, independentemente de sua relação nas reivindicações de patente ou sua relação de dependência, bem como independentemente de sua formulação ou representação na descrição ou nas figuras. Características de processo divulgadas resultam de maneira análoga das características de dispositivo divulgadas correspondente e vice- versa. Isto significa especialmente que características, vantagens técnicas e realizações referentes ao processo para operação de um sistema móvel re- sultam, de maneira análoga, das realizações, características e vantagens correspondentes do dispositivo para operação de um sistema móvel e vice- versa.

[0023] Nas figuras são mostrados: Figura 1: um diagrama de blocos básico de uma forma de reali- zação de um dispositivo para operação de um sistema móvel; Figura 2: imagem de sistema básica para esclarecimento de um modo de ação básico do processo proposto; Figura 3: ilustrações do esclarecimento de um modo de ação básico de uma forma de realização do processo proposto; Figura 4: outra representação para esclarecimento de um modo de ação básico de uma forma de realização do processo proposto; Figura 5: outra representação para esclarecimento de um modo de ação básico de uma forma de realização do processo proposto; e Figura 6: um fluxograma básico de uma forma de realização do processo proposto. Descrição de formas de realização

[0024] Uma ideia básica da invenção é especialmente proporcionar uma operação melhorada de um sistema móvel. Nesse caso está previsto proceder a uma detecção de irregularidades do solo de uma faixa de deslo- camento futura ou à frente do sistema móvel e, com base nisso, realizar um controle prévio, a tempo e com predição, de elementos (direção e/ou ferra- mentas) do sistema móvel, para reduzir desvios de regulagem em relação à posição do GPS. A precisão de processos de trabalho mais elevada alcan- çada assim e a fidelidade à trilha levam vantajosamente a maior rendimento, a uma menor compactação de superfície de solo e a uma maior aceitação de sistemas de assistência baseados em GPS do sistema móvel.

[0025] A figura 1 mostra uma imagem de diagrama de blocos esquemá- tica de um dispositivo 100 para operação de um sistema móvel 200, por exemplo, em forma de uma máquina agrícola, uma máquina de construção,

etc. O referido sistema móvel 200 pode estar configurado tanto controlado manualmente quanto automatizado ou parcialmente automatizado. O siste- ma móvel pode tanto apresentar uma ferramenta utilizada durante o deslo- camento para processamento de uma superfície agrícola quanto estar confi- gurado sem ferramenta.

[0026] Reconhece-se um dispositivo de sensor 10 para detecção de um perfil de ambiente 3D diante do sistema móvel 200, o qual está ligado funci- onalmente a um dispositivo de predição 20 para determinação de uma traje- tória precisa para o sistema móvel 200. O dispositivo de predição 20 deter- mina a trajetória precisa (trajetória teórica) com base em dados do perfil de ambiente 3D detectado. O dispositivo de predição 20 está ligado funcional- mente a um dispositivo de controle 30, por meio do qual pelo menos um atu- ador do sistema móvel 200 é controlado de modo correspondente ao perfil tridimensional detectado.

[0027] Isso significa, por exemplo, que atuadores sejam controlados de tal modo, que o sistema móvel 200 seja conduzido com tanta fidelidade à trilha quanto possível. Além disso, pode-se entender com isso que a ferra- menta do sistema móvel 200, por exemplo, uma ceifadeira, uma ferramenta de construção, etc. que esteja ligada funcionalmente ao sistema móvel 200 seja controlada previamente de modo previsível, conhecendo-se o perfil de superfície tridimensional e assim possa atuar de modo mais uniforme e, por- tanto, mais eficiente.

[0028] Dependendo do caso de aplicação, por exemplo, direção com precisão de GPS, trabalho com precisão de GPS, etc., o modelo de exten- são do sistema desde a recepção de GPS até o membro de ajuste (por exemplo, roda, ferramenta) já esteja disponível para o sistema móvel 200 ou seja aplicado na durante vida útil do sistema móvel 200.

[0029] Como mencionado acima, por meio de processos que medem o distanciamento, pode-se elaborar um mapa de superfície 3D com compen- sação do movimento próprio do sistema móvel 200. Os sensores necessá- rios para isso estão construídos de modo correspondente na região frontal do sistema móvel 200. No caso de superfícies agrícolas com a presença de plantas, a superfície livre (via de regra, sulcos agrícolas ou trilhas de deslo-

camento fixas) é reconhecida por meio de processos de extração de caracte- rísticas e opcionalmente classificação de objetos e, como tal, caracterizada, em princípio, como superfície transitável.

[0030] A partir da trilha de GPS predeterminada ou de movimento pró- prio do sistema móvel 200 e do mapa de perfil de superfície 3D, pode-se determinar com precisão a trajetória para cada roda ou cada ferramenta do sistema móvel 200.

[0031] Especialmente através de processamento do solo, canais de passagem, lixiviação do solo, preparação do solo, irregularidades naturais, etc., podem ocorrer abruptas alterações de altura nas trilhas de roda ou fer- ramenta e, com isso, torques indesejáveis de rolamento e/ou inclinação e/ou guinada.

[0032] Via de regra, sistemas móveis 200 configurados como máquinas agrícolas deslocam-se, tanto quanto possível, sempre nas mesmas trilhas em relação ao processo de passagem, para evitar, tanto quanto possível a compactação do solo e evitar, tanto quanto possível, danos para as plantas. Nesse caso o mapa de perfil de superfície 3D não é substancialmente alte- rado através do próprio peso da ferramenta/da máquina. Quando de uma passagem pela primeira vez (por exemplo, através de solo arado/afofado anteriormente, sem trilhas de deslocamento ou sulcos agrícolas) pode-se aprender ou estar aprendida ou aplicada previamente a compactação de solo subsequente no primeiro trecho de extensão. Essa compactação de solo pode ser levada em consideração, por exemplo, no mapa de perfil de superfície 3D.

[0033] É possível também armazenar o mapa de perfil de superfície 3D determinado por meio do dispositivo de sensor 10 e disponibilizar outros veí- culos/máquinas opcionalmente através de dispositivos de Cloud/mordente.

[0034] Juntamente com o modelo de extensão do sistema podem ser determinados, dessa maneira, os torques de rolamento, inclinação e guinada e, dependendo do distanciamento no tempo e/ou no espaço em relação a distúrbios de predição (torques de rolamento, inclinação e guinada), contro- lar previamente, de modo correspondente, as regras para a direção do sis- tema móvel 200 e/ou condução das ferramentas do sistema móvel 200. Isso,

especialmente no caso de veículos ou máquinas pesadas e, portanto, leva vantajosamente a pequenos desvios mínimos e máximos da trajetória dese- jada dos veículos e/ou das ferramentas dos veículos.

[0035] Desvios de regra ainda existentes devido a tolerâncias, derivas etc. na extensão de regulação podem ser aprendidos e incluídos no controle prévio.

[0036] A determinação com precisão e/ou os dados reais podem ser armazenados em mapas opcionalmente e utilizados para a próxima passa- gem dos mesmos ou de outros veículos ou máquinas, por exemplo, em seus controles de predição.

[0037] Para otimizar a exatidão da regulação e capacidade de tempo real do sistema proposto, é preferido um conjunto de integração com um único aparelho de controle eletrônico (por exemplo, microcontrola- dor/microprocessador e ASIC/DSP), porque este conjunto de aparelho de controle único apresenta vantagens em relação a conjuntos com vários apa- relhos de controle, no que se refere a instabilidades e latências em toda a regulagem.

[0038] Especialmente fusões de dados de sensor e algoritmos, como também algoritmos de processamento de imagem e mapas 3D, requerem a execução do software em microcontroladores/microprocessadores e ASICs/DSPs. De alta capacidade, altamente integrados.

[0039] A figura 2 mostra uma representação de vista geral sistêmica do processo proposto.

[0040] Em uma etapa 300 é proporcionado um dispositivo de sensor 10 em forma de sensores de ambiente para detecção tridimensional do perfil de superfície antes do sistema móvel 200, por exemplo, uma ou várias câmeras 3D, câmeras Time-of-flight, etc., as quais, em uma etapa 310, são emprega- das para determinação de um perfil de superfície 3D de alta resolução. Nes- se caso uma região de detecção do dispositivo de sensor 10 corresponde substancialmente a uma região de trabalho dá ferramenta 210 do sistema móvel em uma etapa 330 ocorre uma determinação de um desvio preciso a partir da trajetória teórica precisa.

[0041] Em uma etapa 340 ocorre uma determinação de valores de con-

trole prévio para um gerenciamento de atuador de predição do sistema mó- vel 200. Em uma etapa 350 ocorre uma determinação de uma percentagem de grandeza de ajuste de predição do respectivo atuador.

[0042] Em uma etapa 360 é considerada uma cinemática e/ou dinâmica do sistema móvel e/ou de sua ferramenta. Além disso, em uma etapa 370 é considerado um processo de transmissão de técnica de regulagem do circui- to de regulagem/dos circuitos de regulagem da máquina de trabalho (veículo ou ferramenta).

[0043] A figura 3 mostra um esclarecimento de um funcionamento bási- co do processo proposto. Um respectivo sistema móvel 200 está represen- tada, em três ilustrações a) a c), o qual está configurado como uma máquina agrícola com uma ferramenta 210 (por exemplo, uma ceifadeira) disposta na mesma. O sistema móvel 200 determina, com um sistema sensor adequado, um mapa de perfil de superfície 3D da extensão de deslocamento à frente e detecta, dessa maneira, irregularidades em forma de elevações 1 e depres- sões 2. Com base no perfil de superfície 3D determinado, determina-se uma trajetória teórica ST para a ferramenta 210 e, durante a passagem pela faixa de deslocamento, a ferramenta 210 é deslocada ao longo da trajetória teóri- ca ST.

[0044] Dessa maneira, a ferramenta 210 encontra-se nos pontos irregu- lares da faixa de deslocamento devido a um controle prévio realizado na po- sição "certa" e assim pode operar de modo efetivo. Esse princípio está re- presentado na ilustração a) também para depressões 2 e, na ilustração c) para elevações 1 e depressões 2.

[0045] Naturalmente esse princípio pode ser utilizado também para um sistema móvel 200 sem ferramentas 210. Neste caso, atuadores do sistema móvel 200 são empregados para compensação de irregularidades 1, 2, de modo que o sistema móvel 200 segue a faixa de deslocamento predetermi- nada sem influência das irregularidades, na medida do possível.

[0046] A figura 4 mostra outro exemplo do funcionamento do processo proposto, sendo que, neste caso, a ferramenta 210 segue um curso de ele- vações 1, de modo que assim, por exemplo, uma ferramenta de pulverização é conduzida em uma altura definida acima de um nível de safras de um campo.

[0047] A figura 5 mostra outro caso, sendo que, neste caso, o sistema móvel 200 sempre balança ao longo da faixa de deslocamento devido a ele- vações 1 e depressões 2. Por meio da determinação precisa da trajetória teórica ST para a ferramenta 210 esta pode permanecer sempre na mesma posição de trabalho horizontal predeterminada e assim operar efetivamente.

[0048] A figura 6 mostra um fluxo básico do processo proposto.

[0049] Em uma etapa 400 realiza-se uma determinação de uma detec- ção de um perfil 3D de uma extensão de deslocamento à frente de compri- mento definido

[0050] Em uma etapa 410 realiza-se uma determinação de uma trajetó- ria teórica ST do sistema móvel 200 e/ou de uma ferramenta 210 do sistema móvel 200 em virtude desse perfil 3D detectado.

[0051] Em uma etapa 420 é realizada uma operação definida do siste- ma móvel 200 considerando-se a trajetória ST precisa ao longo da extensão de deslocamento.

[0052] Vantajosamente o processo de acordo com a invenção pode ser implementado como um software, o qual se desenrola, por exemplo, no dis- positivo 100 com o dispositivo de sensor 10, o dispositivo de predição 20 e o dispositivo de controle 30. Tal adaptabilidade do processo é apoiada dessa maneira.

[0053] Um versado na técnica alterará e /ou combinará as característi- cas da invenção de maneira adequada, sem desviar do cerne da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES 1 Processo para operação de um sistema móvel (200), caracte- rizado pelo fato de que apresenta as etapas de: - detectar um perfil 3D de uma extensão de deslocamento à fren- te de comprimento definido; - determinar uma trajetória teórica (ST) do sistema móvel (200) e/ou de uma ferramenta (210) do sistema móvel (200) com base no perfil 3D detectado; e - operar de forma definida o sistema móvel (200) considerando- se a trajetória teórica (ST) ao longo da extensão de deslocamento.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que é realizado o seguinte: - determinação precisa de trajetórias de rodas do sistema móvel (200) e/ou da ferramenta (210) do sistema móvel (200); - determinação de um desvio preciso a partir da trajetória teórica precisa; e - determinação de valores de controle prévio para um gerencia- mento de atuador com precisão
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pe- lo fato de que para a ferramenta (210) é ajustado pelo menos um dos se- guintes: altura, alinhamento, inclinação.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que para o caso de que a trajetória teórica (ST) para a ferramenta (210) não seja mantida suficientemente, faz- se intervenção também em uma direção do sistema móvel (200).
5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que para detecção do perfil 3D pelo menos um dos seguintes é empregado: Lidar, Radar, Câmera 3D, Câmera Time-of-flight.
6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que, a partir de uma imagem de câ- mera, são calculados movimentos próprios do sistema móvel (200).
7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o perfil 3D é detectado em uma região de trabalho da ferramenta (210).
8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a determinação da trajetória teórica (ST) e uma determinação de dados de atuador correspondentes são realizadas por meio de um único aparelho de controle.
9. Dispositivo (100) para operação de um sistema móvel (200), caracterizado pelo fato de que apresenta: - um dispositivo de sensor (10) para detecção tridimensional de um campo periférico do sistema móvel (200); e - um dispositivo de predição (20), o qual está configurado para, com o auxílio do campo periférico detectado tridimensionalmente, determinar com precisão uma trajetória teórica (ST) para o sistema móvel (200) e/ou uma ferramenta (210) do sistema móvel (200); e - um dispositivo de controle (30), o qual está configurado para controlar o sistema móvel (200) e/ou a ferramenta (210) do sistema móvel (200) de modo correspondente à trajetória teórica (ST).
10. Produto de programa de computador com meios de código de programa para realização do processo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que quando ele roda em um dispositivo (100) eletrônico para operação de um sistema móvel (200) ou está armazenado em um suporte de dados legível por computador.