BR112022003592B1 - Sistema e método de controle para plataforma de veículo autônoma ou controlada remotamente - Google Patents

Abstract

SISTEMA E MÉTODO DE CONTROLE PARA PLATAFORMA DE VEÍCULO AUTÔNOMA OU CONTROLADA REMOTAMENTE. Um sistema e método para controlar uma plataforma de veículo, o sistema compreendendo um controlador integrado e um controlador não integrado que trabalham juntos para fornecer navegação autônoma em campos ou áreas semelhantes onde o veículo é implantado, percepção para detecção e prevenção de obstáculos, e uma interface de usuário para interação e controle usuário/veículo.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício sob 35 U.S.C. § 119 do Pedido Provisório U.S N° 62/894.685, depositado em 30 de agosto de 2019, que é aqui incorporado por referência.

DECLARAÇÃO SOBRE PESQUISA PATROCINADA FEDERALMENTE

[002] Não aplicável.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[003] A invenção refere-se a um sistema e método de controle para uma plataforma de veículo. Mais especificamente, a invenção refere-se a um sistema e método de controle para uma plataforma de veículo autônoma ou controlada remotamente que pode ser usada em aplicações agrícolas.

[004] Em algumas técnicas anteriores, os veículos agrícolas podem ser grandes plataformas, particularmente porque devem incluir uma cabine de motorista com controles manuais associados. Devido ao grande porte, esses tipos de veículos podem estar associados a rodas que compactam indevidamente o solo, o que pode prejudicar as condições favoráveis de crescimento de plantas ou culturas. Esses veículos agrícolas também podem não ter sistemas de controle integrados, o que pode resultar em faixas de cultura tratada, padrões de pulverização que não são paralelos entre si ou padrões que não seguem um plano de caminho de destino, como segmentos lineares de fileira, segmentos de fileira de contorno, segmentos de fileira curvados ou segmentos de fileira em espiral, por exemplo. Além disso, alguns veículos podem não fornecer um sistema e método de controle do veículo para operação autônoma ou controlada remotamente. Portanto, seria vantajoso desenvolver um sistema e método de controle de uma plataforma de veículo.

BREVE SUMÁRIO

[005] De acordo com uma modalidade da presente invenção é um sistema para controlar uma plataforma de veículo compreendendo um controlador integrado e um controlador não integrado, que trabalham em tandem para fornecer recursos de navegação autônoma ou controlada remotamente para a plataforma de veículo.

BREVE SUMÁRIO DAS VÁRIAS VISTAS DOS DESENHOS

[006] As Figuras 1A-1B são diagramas de blocos de um sistema de controle para o veículo autônomo ou controlado remotamente.

[007] A Figura 2 é uma vista superior, traseira e lateral em perspectiva de uma modalidade de um veículo autônomo ou controlado remotamente, como um pulverizador.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[008] De acordo com uma modalidade da presente invenção é um sistema 100 para controlar uma plataforma de veículo 11 compreendendo um controlador integrado 101 e um controlador não integrado 102. Em uma modalidade, o sistema 100 compreende ainda um processador de dados 150, um dispositivo de armazenamento de dados 153, e portas de dados 151 que são acoplados a um barramento de dados 152. O processador de dados 150, dispositivo de armazenamento de dados 153, e portas de dados 151 podem se comunicar entre si através dos barramento de dados 152. O controlador não integrado 102 pode ser acoplado à porta de dados 151 através de um link sem fio 154, como um par de transceptores sem fio. Uma interface de usuário 155 associada ao controlador não integrado 102 pode compreender uma tela, teclado numérico, tela sensível ao toque, teclado, dispositivo apontador, ou um outro dispositivo para suportar um operador que faz interface remotamente com o veículo 11.

[009] Em uma modalidade, o processador de dados 150 compreende um microcontrolador, um microprocessador, uma matriz lógica programável, um dispositivo lógico, uma unidade lógica aritmética, um processador de sinal digital, um circuito integrado específico de aplicação ou outro dispositivo eletrônico para entrada, saída, processamento ou manipulação de dados. O dispositivo de armazenamento de dados 153 pode compreender memória eletrônica, memória de acesso aleatório não volátil, um dispositivo de armazenamento magnético, uma unidade de disco magnético, um dispositivo de armazenamento óptico, uma unidade de disco óptico ou outro dispositivo ou meio de armazenamento adequado. O dispositivo de armazenamento de dados 153 pode suportar módulos eletrônicos, armazenar instruções de software ou suportar módulos de dados. As portas de dados 151 podem compreender um transceptor, a combinação de um transceptor e memória buffer, ou um transmissor e um receptor, por exemplo.

[010] Como mostrado na Figura 1A, uma modalidade do controlador integrado 101 compreende um módulo de controle de interface 103, um módulo de estimativa de pose 104, um módulo de percepção 105, um módulo de navegação de caminho 106, um módulo de prevenção de obstáculos 107, e um módulo de operação remota 108. O controlador não integrado 102, representado na Figura 1B, compreende um módulo de configuração de missão 110, um módulo de missão estático 111, um módulo de estado da máquina 112, e um módulo de controle de substituição 113.

[011] O sistema 100 pode ser usado para controlar um veículo, como a plataforma de veículo 11 mostrada na Figura 2. Nas modalidades divulgadas neste documento, uma plataforma de veículo 11 pode compreender uma máquina robótica autônoma que é capaz de aplicar fertilizante, herbicidas, pesticidas, sementes ou outros insumos para o cuidado da cultura, tanto antes do plantio e emergência da cultura, quanto após a emergência da cultura. A plataforma de veículo 11 ou veículo pode ser configurado como um veículo leve que é adequado para compactação reduzida do solo durante as operações de campo, eliminando o peso de uma cabine para o operador e operador humano. Para muitas configurações, a máquina robótica pode reduzir o peso dos sistemas de controle climático, sistemas de infoentretenimento e vários controles do operador associados à cabine. Em algumas configurações, os conjuntos rastreados do veículo podem fornecer menos de 5 libras por polegada quadrada (PSI) de pressão no solo ou até 3 PSI de pressão no solo em determinadas configurações. A pressão do solo reduzida permite que a plataforma de veículo 11 seja operada em condições em que a estrutura do solo normalmente não permitiria a entrada no campo devido a preocupações com a compressão ou dano do solo. O sistema de controle 100 não está limitado a veículos agrícolas e pode ser usado para controlar outras plataformas de veículos, como veículos de construção, silvicultura e grama, por exemplo.

[012] No exemplo mostrado na Figura 2, a plataforma de veículo 11 compreende um corpo central 10 tendo um primeiro lado 58 (por exemplo, dianteiro) e um segundo lado 60 (por exemplo, traseiro) espaçados do primeiro lado 58 por uma distância conhecida fixa. Uma pluralidade de pernas ajustáveis 12 se estende a jusante do corpo central 10. Cada perna ajustável 12 tem um atuador de perna correspondente, como um atuador linear, um motor elétrico com um parafuso, ou um cilindro hidráulico com uma interface eletro-hidráulica, para ajustar uma altura vertical respectiva de cada perna ajustável 12. Por exemplo, o atuador de pernas pode ser usado para manter uma atitude nivelada do veículo com base em medições de qualquer um dos seguintes: sensores de movimento, primeiro receptor de determinação de localização 62, ou segundo receptor de determinação de localização 64.

[013] Cada perna ajustável 12 termina em um conjunto de esteira giratório 68 (por exemplo, giratório em relação ao eixo vertical 30 e giratório em relação a um eixo horizontal associado ao acionamento da esteira ou correia) ou roda giratória. Se o conjunto de esteira 68 for giratório em relação ao eixo vertical para dirigir o veículo, um atuador (por exemplo, atuador hidráulico) ou motor elétrico é usado em ou acima de dois ou mais conjuntos de esteira 68, de modo que um estator (do motor elétrico ou atuador) está associado a uma porção superior da perna 12 e rotor (de um motor elétrico ou atuador) é acoplado a uma porção inferior da perna 12 ou o respectivo conjunto de esteira. Em algumas configurações, o conjunto de esteira 68 pode ser denominado uma roda de esteira, uma roda contínua ou uma banda de rodagem do tanque. Cada conjunto de esteira 68 é acionado ou girado independentemente por uma unidade de acionamento 70, como um motor elétrico ou um motor hidráulico. Além disso, em algumas configurações, o veículo pode ser dirigido (por exemplo, diferentemente dirigido) aplicando energia rotacional diferencial (por exemplo, diferentes velocidades rotacionais) ao solo em relação a diferentes unidades de esteira.

[014] Em uma modalidade, um primeiro receptor de determinação de localização 62 está associado ou próximo ao primeiro lado 58 na parte superior do veículo 11; um segundo receptor de determinação de localização 64 está associado com ou próximo ao segundo lado 60 na parte superior do veículo 11. O primeiro receptor de determinação de localização 62, sozinho ou em conjunto com o segundo receptor de determinação de localização 64 é configurado para determinar uma posição ou orientação angular ao plano horizontal da Terra do veículo ou corpo central 10 em relação a um ângulo de referência, tal como Norte magnético. Por exemplo, o primeiro receptor de determinação de localização 62, o segundo receptor de determinação de localização 64, ou ambos podem compreender um receptor de navegação por satélite, como receptor do sistema global de navegação por satélite (GNSS) ou receptor do sistema de posicionamento global (GPS), em que o receptor de navegação por satélite pode ter um receptor sem fio para receber um sinal de correção, como um sinal de correção diferencial ou um sinal de posicionamento de ponto preciso (PPP). Em uma modalidade, os receptores de determinação de localização (62, 64) podem ser complementados com sensores adicionais ou suplementares, tais como sensores de cálculo mortos, hodômetros, giroscópios, acelerômetros, sensores de inclinação, rotação e guinada, e/ou unidade de medição inercial (IMU) para facilitar a determinação de posição ou orientação angular em conjunto com os receptores de determinação de localização (62, 64). Sensores adicionais, como um um sistema de imagem, pelo menos uma câmera estéreo, radar, lidar, e outros sistemas que adquirem dados sobre o ambiente ao redor do veículo 11 podem ser usados em algumas modalidades.

[015] Na modalidade de exemplo ilustrada na Figura 2, o corpo central 10 cobre um tanque 36, como um tanque geralmente cilíndrico, para conter uma entrada de cultura, um fluido a ser bombeado ou fluido pressurizado, como amônia anidra. A cultura pode ter uma porta de entrada opcional 51 com uma tampa que pode ser removida para encher o tanque 36. Entrada de cultura ou fluido refere-se a fertilizante, fungicida, pesticida, inseticida, herbicida, nitrogênio, potássio, fósforo, minerais, nutrientes, corretivos do solo, produtos químicos ou outros tratamentos agronômicos para plantas, sementes, raízes ou solo. O tanque 36 pode conter um fluido pressurizado ou fluido a ser bombeado por uma bomba 39. Em uma configuração, o corpo central 10 tem a região oca central 40 associada ao seu lado inferior e em que a região oca central 40 é adaptada para receber de forma removível um tanque 36 para retenção de fluido, tal como uma entrada de cultura a ser pulverizada ou uma semente a ser plantada.

[016] Uma pluralidade de linhas de alimentação 42 e tubos 61 são dispostos para fornecer os respectivos conjuntos de bocais com um fluido bombeado ou pressurizado do tanque 36 ou uma bomba associada ao tanque 36. Um coletor 44 acoplado às linhas de alimentação verticais 42 distribui, comuta ou direciona o fluido bombeado ou pressurizado para um ou mais bocais 48 de cada conjunto de bocal ou para todo o conjunto de bocal. O coletor 44 pode incluir uma ou mais válvulas, tais como válvulas eletromecânicas ou válvulas operadas por solenoide para controlar o fluxo de fluido bombeado ou pressurizado para os respectivos bocais 48 ou conjuntos de bocais. Por exemplo, em uma configuração, cada conjunto de bocal inclui um par de bocais 48 voltados para direções opostas.

[017] Mostra-se ainda na Figura 2 é um conjunto de braço articulado 14 compreendendo um primeiro braço 24, segundo braço 26, hastes verticais 25, colares 27, uma viga de suporte 21, e quadro opcional, que é usado para suportar os conjuntos de bocais. A viga de suporte 21 se estende em uma direção transversa 65 que é geralmente perpendicular a um eixo longitudinal 67 do corpo central 10 em uma direção dianteira de deslocamento 66 da plataforma de veículo 11. Um braço atuador 22 é disposto para controlar uma posição transversa da viga de suporte 21. Consequentemente, durante passagens ou faixas adjacentes (por exemplo, faixas paralelas) do veículo 11 através do campo, os conjuntos de bocais podem ser ajustados lateralmente sem mover lateralmente o veículo 11 para alinhar os conjuntos de bocais com a fileira de plantas.

[018] O controlador integrado 101 pode receber dados de posição, dados de movimento, e dados de atitude (por exemplo, guinada ou direção) do primeiro receptor de determinação de localização 62, do segundo receptor de determinação de localização 64, os sensores de movimento, ou outros sensores de veículo. Por exemplo, o armazenamento de dados 153 pode armazenar dados de posição observados (por exemplo, com carimbo de data/hora), dados de movimento e dados de atitude (por exemplo, guinada ou direção) do primeiro receptor de determinação de localização 62, do segundo receptor de determinação de localização 64, e/ou dos sensores de movimento para comunicação através das portas de dados 151 para os processador de dados 150 ou qualquer módulo ou módulos.

[019] O controlador integrado 101 gera dados de comando ou sinais de comando para enviar comandos de direção para o controlador de direção 122 para rastrear o plano de caminho, direção alvo, ou guinada alvo. Por sua vez, o controlador de direção 122 comunica com o sistema de direção 120, como um sistema de direção eletro-hidráulico ou um sistema de direção elétrico. Em um exemplo, o sistema de direção 120 compreende um motor elétrico que aciona uma ou mais esteiras, onde a direção do veículo pode ser controlada por direção diferencial em relação às esteiras para dirigir ou direcionar o veículo de acordo com uma direção alvo fornecida pelo controlador integrado 101 ou processador de dados 150. Em um outro exemplo, o sistema de direção 120 compreende um atuador que gira uma porção, como porção inferior de uma respectiva perna 12 em torno de um eixo vertical para dirigir ou direcionar o veículo 11 de acordo com uma direção alvo fornecida pelo controlador integrado 101 ou processador de dados 150 consistente com um plano de caminho ou missão para cobrir um campo ou área com uma entrada de cultura.

[020] O controlador integrado 101 pode enviar dados de comando ou sinais de comando para o controlador de direção 122, o controlador de frenagem 126, e o controlador de propulsão 130 através de uma ou mais portas de dados 151 ou através do barramento de dados do veículo 152 de modo que o veículo 11 rastreie um plano de caminho. Um controlador de frenagem 126 é acoplado a um sistema de frenagem 124, como um sistema de frenagem eletro-hidráulico, um sistema de frenagem elétrico ou um sistema de frenagem mecânico. O controlador de frenagem 126 é acoplado a uma porta de dados 151. Um controlador de propulsão 130 é acoplado a uma unidade de propulsão 128, como um ou mais motores de acionamento elétrico, um motor de combustão interna ou um motor de combustão interna que fornece energia mecânica rotacional a um gerador ou um alternador que fornece energia elétrica a um ou mais motores de acionamento elétrico. O controlador de propulsão 130 é acoplado a uma porta de dados 151.

[021] Com referência novamente à Figura 1A - Figura 1B, em uma modalidade, o sistema 100 acessa, cria ou recebe um plano de caminho para guiar a plataforma de veículo 11 ao longo de um caminho alvo na execução de pulverização, plantio ou outra tarefa em uma ou mais campos. O sistema 100 fornece ainda uma interface de usuário para interação e controle humano-veículo. O controle humano é realizado através do controlador não integrado 102, em uma modalidade. O controlador integrado 101 é o recurso de computação central que é responsável por localizar o veículo 11, permitindo a percepção para detecção de obstáculos, para geração e suavização de caminho dinâmico e controle e monitoramento da navegação do veículo.

[022] Como mostrado na Figura 1A, o controlador integrado 101 inclui um módulo de controle de interface 103, que é a interface de controle principal com os controladores de máquina de baixo nível (120, 122, 124, 126, 128 e 130) e os outros módulos do controlador integrado 101 e controlador não integrado 102. O módulo de controle de interface 103 mantém a máquina de estado, reforça a sincronização entre os controladores de máquina de baixo nível (120, 122, 124, 126, 128 e 130) e controladores de alto nível (101, 102) e serialização e desserialização de dados transmitido através do barramento de dados 152. A saída do módulo de controle de interface afeta diretamente o estado e a navegação do veículo 11.

[023] O módulo de estimativa de pose 104 estima a pose do veículo 11 em relação a um quadro global. Em uma modalidade, a estimativa de pose é realizada usando um Filtro de Kalman estendido (EKF) que assume um modelo de velocidade uniforme, e acredita que as estimativas de estado são geradas usando atualizações de localização diferencial. A atualização de medição do EKF pode ser obtida a partir de dados de GPS fornecidos pelo primeiro receptor de determinação de localização 62 ou segundo receptor de determinação de localização 64. Em uma modalidade alternativa, o EKF pode também usar dados da IMU para uma atualização de previsão. O módulo de estimativa de pose 104 também pode funcionar com diferentes perfis de modelo de movimento para o veículo, incluindo perfis de direção Ackerman e direção articular.

[024] O módulo de percepção 105 estabelece uma base para examinar e compreender o ambiente em que o veículo 11 está operando. Esta funcionalidade é a base para uma operação autônoma segura. Por exemplo, o módulo de percepção 105 permite que a plataforma de veículo 11 reconheça obstáculos positivos e negativos em seu ambiente ao longo do tempo e transmita informações críticas de navegabilidade aos componentes de tomada de decisão do sistema. Para realizar esta funcionalidade, o módulo de percepção 105 fornece detecção de obstáculos para: operar no espaço geométrico sem depender de recursos de imagem, mas sem impedir a incorporação de tal informação; identificar consistentemente objetos de várias classes, incluindo pessoas, veículos, edifícios e obstáculos negativos na ausência de culturas ou em condições de culturas emergentes; e não requer “aprendizado supervisionado” ou grandes quantidades de dados necessários para modelos subjacentes.

[025] Em uma modalidade, o módulo de percepção 105 detecta objetos como a seguir: informações de profundidade são calculadas de pelo menos uma câmera estéreo, ou alternativamente um par de câmeras estéreo, e uma nuvem de pontos lidar, que são projetados em um quadro de referência local. Esses pontos são acumulados ao longo do tempo em um quadro de coordenadas global conforme fornecido pela pose recebida do módulo de estimativa de pose 104, para fornecer coesão temporal e resiliência à oclusão temporária. Em seguida, voxels, ou pontos de dados de uma grade tridimensional, de uma fatia relevante do mapa, são agrupados para obter a pontuação de objetividade usando um dos dois métodos. Em um primeiro método, a pontuação é determinada a partir de uma atribuição baseada em regras. Em um segundo método que utiliza processos de aprendizado de máquina, os recursos são calculados nos pontos tridimensionais e podem incluir densidade, distribuição de altura e posição (normais empiricamente superadas, curvatura, projeções múltiplas e recursos de borda). Um modelo de mistura gaussiana (GMM) é recentralizado usando um algoritmo K++ juntamente com iterações de maximização de expectativa (EM) para produzir um agrupamento suave. Os agrupamentos são mesclados minimizando a divergência. Usando qualquer um dos métodos, uma supressão não máxima baseada em regras atribui grupos de pontos a objetos. Se os objetos não estiverem visíveis no momento, eles se deteriorarão com o tempo. Os objetos que existem no mapa são retornados dentro de uma visão expandida do espaço C do caminho atual que satisfaz um conjunto de regras simples, como distância do veículo 11, tamanho mínimo da superfície do solo e número mínimo de observações. Em seguida, o modelo da superfície do solo é atualizado usando pontos não obstáculos. Em algumas modalidades, a otimização de consenso de amostra aleatória (RANSAC) e mínimos quadrados (LS) pode ser realizada. Em modalidades alternativas, a atualização Bayesiana é realizada na família assumida de distribuições gaussianas para atualizar usando as novas descobertas de pontos de superfície. Usando este processo, o módulo de percepção 105 fornece uma barreira convexa do caminho de obstáculo, que é registrada e enviada para o módulo de prevenção de obstáculo 107.

[026] O planejamento de caminho e a correção de caminho são fornecidos pelo módulo de navegação de caminho 106 e módulo de prevenção de obstáculos 107. O módulo de navegação de caminho 106 rastreia o veículo 11 e envia atualizações de navegação para o módulo de controle de interface 103. Este módulo recebe uma lista de pontos de passagem do controlador não integrado 102. Isto é, o módulo de navegação de caminho 106 realiza registro e rastreamento de ponto de passagem. Esses pontos de passagem são então passados sequencialmente para um teste de verificação de curva que calcula o raio de giro necessário para os pontos. Se o raio de giro for menor que o raio mínimo de giro da máquina, os pontos são passados para um gerador de caminho suave Dubins que retorna os pontos de passagem navegáveis. O módulo de navegação de caminho 106 então envia um buffer para pontos de passagem para o módulo de controle de interface 103 para execução de movimento.

[027] O módulo de prevenção de obstáculos 107 implementa o planejamento para evitar obstáculos. Por exemplo, o módulo de percepção 105 fornece barreiras de obstáculos e um mapa de custo de travessia que é uma função de obstáculos detectados e pontuações de oclusão no mapa de voxel. O mapa de custos não considera uma determinada cultura atravessada pelo veículo 11, por exemplo, que pode ter um custo de travessia menor do que outros obstáculos, mas a informação está disponível para o sistema. Se houver obstáculos no caminho do veículo 11, são implementados dois métodos de planejamento para evitar obstáculos. Em um primeiro método, ou método baseado em gradiente descendente, o gradiente descendente é usado no mapa de custos, com um termo de regularização para garantir as restrições de movimento do veículo 11. Em um segundo método, ou método de Panejamento Híbrido A Star, o mapa de custos é considerado para converter o espaço discreto em gráfico contínuo usando atualizações de movimento. Todos os nós que não são executáveis pelo veículo 11 são marcados com alto custo. Usando a atualização de movimento Dubins, um nó filho é calculado para o local pai. Nesta modalidade, duas heurísticas são utilizadas: (1) distância euclidiana até o ponto limite mais próximo na fileira; e (2) uma heurística de espaçamento, que prefere nós que são fatores fixos de espaços da largura da unidade de implementação e são atribuídos a um custo menor que os vizinhos. Cada etapa de pontos de passagem é considerada custo uniforme. Assim, o planejador garante o caminho mais curto devido à consistência e admissibilidade do gráfico. Além disso, o planejador garante que o veículo 11 possa executar o caminho, pois considera o raio de giro mínimo na exploração do nó filho.

[028] O módulo de operação remota 108 envia os estados da máquina e as atualizações do sensor local (por exemplo, imagens) para o controlador não integrado remoto 102. O módulo de operação remota 108 também é responsável por manter e conectar ao controlador não integrado 102 através da execução da missão. Se o controlador não integrado 102 estiver fora de alcance, o veículo pode ser parado através do módulo de operação remota 108. Se parado, o módulo 108 tenta restabelecer a conexão com o controlador não integrado 102. Em uma modalidade, o módulo de operação remota 108 também pode garantir que o veículo 11 permaneça dentro de uma cerca geográfica operacional. Se por algum motivo o veículo 11 sair da cerca geográfica, uma mensagem de parada é acionada e um alerta é enviado para o controlador não integrado 102.

[029] O controlador integrado 101 inclui ainda mecanismos de segurança arquitetônica, que são usados para fornecer uma operação estável e segura do veículo 11. Por exemplo, em uma modalidade, os mecanismos de segurança arquitetônica incluem um pipeline de computação paralela que permite redundância e/ou verifica os cálculos do sistema. Em outra modalidade, os mecanismos incluem como design que abstrai componentes locais para modularidade, o que permite que componentes algorítmicos sejam parametrizados. Os algoritmos de filtragem de pose, modelagem de solo e classificação são exemplos de componentes parametrizados, com subcomponentes aproveitando o mesmo design. Outras características dos mecanismos de segurança arquitetônica incluem transferência de dados de baixa sobrecarga em infraestrutura distribuída, suporte de registro para uma ampla variedade de dados, incluindo dados de sensores para recriar o desempenho do sistema offline, compactação de alta velocidade para streaming de imagem para a interface de usuário 155 (nesta modalidade, um algoritmo aplica um SVD parcial estocástico em diferenças de imagem, com quadros-chave periódicos para remover artefatos, que equilibra a fidelidade da imagem em tempo real ajustando a classificação da decomposição); máquina de estado global para monitorar o estado de autonomia do veículo 11 incorporando a prontidão de componentes individuais com baixa latência; e vários níveis de redundância em sistemas de segurança, incluindo integridade de caminho, transmissão de caminho e cerca digital.

[030] Com referência agora à Figura 1B, o controlador não integrado 102 é responsável por desenvolver a configuração inicial para a missão, planejamento de caminho estático e monitoramento do estado do veículo 11. A interface de usuário 155 associada ao controlador não integrado 102 também permite que um usuário sobrecarregue os controles do veículo 11 manualmente.

[031] Para desenvolver a missão, o módulo de configuração de missão 110 permite que um usuário selecione os detalhes dos parâmetros de aplicação e missão, que são usados na execução da navegação. Os detalhes podem incluir a identificação da cerca geográfica, a taxa de aplicação, velocidades máximas de navegação, a largura dos implementos no veículo 11, limite de giro do veículo 11, condições de limite para reabastecimento e habilitar/desabilitar recursos de registro de dados. Usando o módulo de configuração de missão 110, os usuários também podem definir a localização das estações de reabastecimento (ou estação de tender) em um mapa. Por exemplo, um usuário pode fazer upload de uma coordenada de GPS ou selecionar manualmente uma localização de postos de abastecimento em uma interface de mapa, como o Google Maps. A saída do módulo de configuração de missão 110 define os limites para a navegação juntamente com o mapa inicial da região a ser atravessada pelo veículo 11. Um usuário pode definir a região de aplicação carregando um arquivo de forma ou selecionando manualmente a região em uma interface de mapa embutida no controlador não integrado 102.

[032] O módulo de missão estático 111 usa a saída do módulo de configuração de missão 110 para gerar pontos de passagem personalizados que cobrem as regiões desejadas dos campos juntamente com possíveis caminhos de reabastecimento ou pontos de saída. O módulo de missão estática 111 tem dois componentes, um componente de cobertura e um componente tender.

[033] O componente de cobertura do módulo de missão estática 111 gera pontos de passagem usando um algoritmo de varredura raster multiplano ao longo da região de aplicação. As fileiras de pontos de passagem gerados são espaçadas com base na largura da unidade de aplicação definida no módulo de configuração de missão 110. Em uma modalidade, um usuário também pode definir certas fileiras de plantas a serem ignoradas usando o componente de cobertura. Em algumas modalidades, o componente de cobertura gera um caminho semicircular no final de cada fileira de plantas usando o algoritmo de planejamento de caminho de Dubins. O caminho semicircular é responsável por um raio de giro mínimo do veículo 11 para garantir que o caminho gerado seja executável com segurança pelo veículo 11. A lista de pontos de passagem finais pode ser verificada e suavizada para levar em conta o perfil de movimento do veículo 11.

[034] O componente tender do módulo de missão estática 111 gera uma lista de pontos de passagem em um nó de decisão no gráfico de navegação. Os pontos de passagem conduzem o veículo 11 de um determinado ponto de decisão para o local de reabastecimento (tender). Os pontos de decisão são gerados no mapa do aplicativo com base nos locais da fileira de saída e na proximidade euclidiana do local de tender. Os pontos de passagem são gerados de tal forma que a cultura mínima é atropelada durante a navegação, como quando o veículo 11 está virando no final de uma fileira. A heurística de custo é usada para calcular um ponto de mesclagem para um promontório específico. O componente tender também pode definir o comportamento de retorno após o reabastecimento. O comportamento de retorno está sujeito a uma área de navegação disponível para retornar à última fileira de trabalho. Em uma modalidade, o comportamento de retorno é um comportamento de “virar no promontório e retornar” (definido usando o Algoritmo de Dijkstra). Em uma modalidade alternativa, o comportamento de retorno é um comportamento de “volta e retorno da lâmpada” (definido usando o Algoritmo de Caminho de Dubins). A saída do módulo de missão estática 111 é uma lista de pontos de passagem classificados como Pontos “normal” e “tender”. A lista de pontos de passagem pode ser enviada para o veículo 11 através da porta de dados 151 e link sem fio 154, como um dispositivo de comunicação serial sem fio.

[035] O módulo de estado da máquina 112 permite que o controlador não integrado 102 exiba certas informações da máquina para um usuário. O controlador integrado 101, através do módulo de operação remota 108, transmite informações de estado essenciais para o veículo 11 e seus vários componentes. As informações de estado podem ser exibidas ao usuário usando marcadores interativos e gráficos de estimativa de estado. As informações exibidas na interface de usuário 155 podem incluir: estado de saúde do veículo (por exemplo, verificações de falhas); estimativas do estado do veículo (por exemplo, combustível, temperaturas dos componentes, diagnóstico do motor e dados semelhantes); estado da missão (por exemplo, status de conclusão, exibição panorâmica da missão e localização do veículo); dados de imagem; e outros dados do sensor. O módulo de estado da máquina 112 também garante que o controlador não integrado 102 esteja conectado ao veículo 11 durante a execução da missão. Se houver alguma interrupção na comunicação, o módulo de estado da máquina 112 tenta restabelecer a conexão. Em outras modalidades, o módulo de estado da máquina 112 pode enviar um sinal de socorro se o veículo 11 cruzar uma cerca geográfica, que define a área na qual o veículo 11 deve estar operando. O sinal de socorro interrompe a missão e envia um sinal de parada. Notável, este é um recurso redundante, pois o controlador integrado 101 executa uma função semelhante.

[036] O controlador não integrado 102 também inclui um módulo de controle de substituição 113, que permite que um usuário substitua a operação autônoma. Por exemplo, o usuário pode substituir controles autônomos para instruir o veículo 11 a realizar comportamentos relacionados a operações principais, operações de missão e operações de correção de caminho. Para operações principais, o usuário pode instruir o veículo a iniciar uma missão, parar, pausar uma missão, desligar o motor e dar partida no motor. Para operações de missão, o usuário pode instruir o veículo a retomar um caminho da última fileira de aplicação registrada, retomar uma missão da localização atual do veículo, forçar um tender no próximo nó de decisão, ignorar uma saída do módulo de percepção 105, ignorar um obstáculo, ignore o status da máquina de estado e siga a navegação estrutural. Em uma modalidade, as mensagens de substituição são enviadas como uma mensagem de 16 bits para o controlador integrado 101, onde a mensagem é enviada repetidamente até que a execução adequada da mensagem de substituição seja observada. Outros protocolos de comunicação podem ser usados em modalidades alternativas. Para operações de correção de caminho, o usuário pode marcar pontos de passagem gerais no mapa para o veículo 11 seguir e selecionar pontos de passagem tocando em uma interface de mapa. Os pontos de passagem definidos recebem a prioridade mais alta para execução após a ativação dos controles “seguir navegação estrutural”. Em uma modalidade, os pontos de passagem são passados através de um algoritmo de Planejamento de Caminho Dubins para garantir que o caminho resultante seja suave e executável pelo veículo 11.

[037] Embora a divulgação tenha sido descrita em detalhes e com referência a suas modalidades específicas, será evidente para uma pessoa versada na técnica que várias alterações e modificações podem ser feitas nela sem se afastar do espírito e escopo das modalidades. Assim, pretende-se que a presente divulgação cubra as modificações e variações desta divulgação desde que estejam dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

[038] Além disso, as características divulgadas na descrição anterior, ou nas reivindicações a seguir, ou nos desenhos anexos, expressas em suas formas específicas ou em termos de um meio para desempenhar a função divulgada, ou um método ou processo para alcançar o resultado divulgado, conforme apropriado, pode, separadamente, ou em qualquer combinação de tais características, ser utilizada para realizar a invenção em diversas formas da mesma. Em particular, um ou mais recursos em qualquer uma das modalidades descritas neste documento podem ser combinados com um ou mais recursos de quaisquer outras modalidades descritas neste documento.

[039] A proteção também pode ser buscada para quaisquer recursos divulgados em qualquer um ou mais documentos publicados referidos e/ou incorporados por referência em combinação com a presente divulgação.

Claims (20)

1. Sistema para controlar um veículo operando de forma autônoma em um campo agrícola e tendo pelo menos um sensor capaz de fornecer dados relacionados a um ambiente do veículo, o sistema CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um controlador integrado conectado a uma porta de dados no veículo para receber os dados e desenvolver um plano de navegação, o controlador integrado compreendendo: um módulo de controle de interface que fornece instruções para controladores de baixo nível para executar o plano de navegação, um módulo de estimativa de pose que estima uma pose do veículo em relação a um quadro global, um módulo de percepção que identifica obstáculos dentro de uma proximidade do veículo, um módulo de navegação de caminho que rastreia o veículo e envia atualizações de navegação para o módulo de controle de interface, e um módulo de prevenção de obstáculos que planeja um caminho para evitar os obstáculos identificados pelo módulo de percepção; um controlador não integrado que envia dados de missão e um conjunto de pontos de passagem para o controlador integrado, em que o controlador integrado desenvolve o plano de navegação com base em pelo menos um dentre os dados de missão e o conjunto de pontos de passagem, e em que o conjunto de pontos de passagem define um caminho para cobrir uma área do campo agrícola identificado nos dados de missão.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador não integrado compreende: um módulo de configuração de missão que recebe detalhes de missão de um usuário para gerar uma saída de missão; um módulo de máquina estática que recebe a saída de missão e gera o conjunto de pontos de passagem usados pelo controlador integrado para desenvolver o plano de navegação.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador não integrado compreende ainda: um módulo de estado da máquina que recebe dados de estado do veículo e exibe os dados de estado em uma interface de usuário.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador não integrado compreende ainda: um módulo de controle de substituição que envia dados de substituição para o controlador integrado, em que os dados de substituição interrompem a operação autônoma do veículo.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que os dados de substituição compreendem uma mensagem relacionada aos dados de missão.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que os dados de substituição compreendem uma mensagem quando recebida pelo controlador integrado faz com que o veículo pare.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador integrado compreende ainda: um módulo de operação remota que recebe dados do pelo menos um sensor e transmite os dados para o controlador não integrado para exibição em uma interface de usuário.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os controladores de baixo nível são selecionados a partir de um grupo que consiste em um controlador de direção, um controlador de frenagem, e um controlador de propulsão.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o módulo de estimativa de pose estima a pose do veículo usando um filtro de Kalman estendido que assume um modelo de velocidade uniforme.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que a pose é atualizada usando dados do pelo menos um sensor.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o módulo de percepção cria um mapa em um quadro de coordenadas global usando dados do pelo menos um sensor.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o módulo de percepção identifica objetos no ambiente sem depender de recursos de imagem.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que os detalhes de missão são selecionados a partir de um grupo que consiste em área de aplicação, taxa de aplicação, velocidade de navegação, largura do veículo, limite de giro do veículo, e limite de reabastecimento.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que os pontos de passagem compreendem pontos de passagem tender e normais.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o controlador não integrado é conectado à porta de dados por meio de um link sem fio.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o pelo menos um sensor é selecionado a partir de um grupo que consiste em: um sistema de imagem, uma câmera estéreo, um sistema de radar, um sistema lidar, um receptor de determinação de localização, um receptor de navegação por satélite, um sensor de cálculo morto, um hodômetro, um giroscópio, um acelerômetro, uma unidade de medição inercial, e um sensor de inclinação, rotação e guinada.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os dados compreendem pelo menos um dentre dados de posição, dados de movimento, e dados de atitude.

18. Método de controle de um veículo autônomo operando em um campo agrícola e tendo um controlador integrado, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: gerar dados de missão e um conjunto de pontos de passagem usando um controlador não integrado, em que os dados de missão compreendem um mapa inicial de uma região a ser atravessada pelo veículo autônomo, e em que o conjunto de pontos de passagem define um caminho para cobrir a região; receber os dados de missão e um conjunto de pontos de passagem em um controlador integrado; desenvolver um plano de caminho usando pelo menos um dos dados de missão e um conjunto de pontos de passagem; determinar uma pose do veículo; navegar no plano de caminho rastreando o conjunto de pontos de passagem; e detectar objetos dentro do plano de caminho usando um sensor, em que o sensor fornece informações sobre um ambiente ao redor do veículo autônomo.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO pelo fato de que detectar objetos compreende: calcular informações de profundidade de uma câmera estéreo e uma nuvem de pontos lidar tendo uma pluralidade de pontos, em que os pontos são projetados em um quadro de referência local; acumular a pluralidade de pontos em um período de tempo em um quadro de coordenadas global identificados na pose; agrupar voxels dos agrupamentos de voxel do quadro de coordenadas global; e determinar uma pontuação de objetividade com base nos agrupamentos de voxel.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende: identificar um objeto usando a pontuação de objetividade.

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