CN101583839A - 具有可选择性地伸出和缩回的感测配件的无人驾驶地面机器人车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶机器人车辆(10)。该无人驾驶机器人车辆能检测远离车架(18)周围区域的位置处的环境。无人驾驶机器人车辆(10)包括具有感测元件(16)的可缩回的配件。感测元件可以包括摄像机、化学传感器、光学传感器、力传感器等。

Description

具有可选择性地伸出和缩回的感测配件的无人驾驶地面机器人车辆

相关申请

本申请要求享有于2006年11月13日向美国专利商标局提交的标题为“Unmanned Ground Robotic Vehicle Having An Alternatively ExtendibleAnd Retractable Sensing Appendage”(具有可选择性地伸出和缩回的感测配件的无人驾驶地面机器人车辆)的美国临时专利申请No.60/858,806的权益，该申请的全文引用在此作为参考。

技术领域

本发明涉及小型无人驾驶地面机器人车辆。更具体地，本发明涉及具有联接到可选择性地伸出和缩回的配件上的感测元件的无人驾驶地面机器人车辆。

背景技术

机器人学是活跃的研究领域，已研制出许多不同类型的机器人车辆用于各种任务。例如，无人驾驶的飞行器已非常成功地用于军事空中侦察。然而，无人驾驶的地面车辆获得较少成功，这部分地是由于在地面环境中运动显著地比在空中环境中运动困难。

例如，与通常具有很少的障碍物和极好的视程的空中环境相比，地面环境通常具有在广泛的范围内变化的地形和各种障碍物。障碍物会带来多种挑战：它们不仅可能需要爬过、在下面穿过、绕过或移开，而且障碍物可能挡住障碍物下方、上方、或后方区域的视程。在地面行进可能会出现许多需要原路返回的情况，因为不通的路线可能要进入后才能辨别出来。而且，危险可能被隐藏，直到太迟以致不能避免所述危险。

较大的车辆可以提供改善的视程，并解决这些挑战的一部分。然而，较大的车辆有许多缺点，如增加功耗，减少了隐蔽性，及较小的通过狭窄通道和小开口的能力。因此，希望有改进的技术，以应对由障碍物导致的行进和感测挑战。

无人驾驶地面车辆面临的另一个问题是敌对环境带来的威胁。隐藏于无人驾驶地面车辆的传感器系统的视野的任何位置都是敌方的潜在隐藏地点。将无人驾驶地面车辆操纵到一可以看到之前隐藏的位置的位置却又会将车辆暴露于那个位置处的潜在威胁下。尽管事先对一区域的侦察可以帮助避免这些威胁，但这种信息常常不可用。而且，对机器人车辆来说，一种有价值的应用是在人员进入一区域之前提供这种侦察。因此，对机器人车辆来说，理想情况是自主地获得完成其使命所需的传感器信息。

发明内容

本发明包括一种无人驾驶地面机器人车辆，该无人驾驶地面机器人车辆有助于克服现有技术中固有的问题和不足。在一个实施例中，无人驾驶机器人车辆包括车体，该车体具有联接于其上的配件。配件可以选择性地从主车体沿向外的方向伸出以及朝主车体沿向内的方向缩回。感测元件可以联接到配件上。因此，感测元件可以检测远离车架周围区域的一位置处的环境。

附图说明

从下文结合附图的描述和所附权利要求中可以更清楚地看到本发明。应当理解，这些附图仅描述了本发明的示例性实施例，它们不应当被认为是对本发明的范围的限制。可以容易地认识到，文中一般性地描述以及在附图中示出的本发明的部件可布置成或设计成各种不同的构造。但是下面将通过附图更加详细和具体地描述和解释本发明，其中：

图1示出按照本发明第一示例性实施例的具有可选择性地伸出和缩回的感测配件的无人驾驶地面车辆的侧视图；

图2示出图1的无人驾驶地面车辆的侧视图，其中，感测配件处于缩回位置；

图3示出按照本发明第二示例性实施例的无人驾驶地面车辆的透视图；

图4示出按照本发明第三示例性实施例的无人驾驶地面车辆的透视图；以及

图5示出利用按照本发明示例性实施例的无人驾驶地面机器人车辆在一环境中进行遥测的方法的流程图。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。因此，下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。从而，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

参见图1，图1示出的按照本发明第一示例性实施例的无人驾驶地面车辆的侧视图。更具体地，图1将无人驾驶地面车辆10示出为包括车体12、配件14、和传感器16。车体可以包括车架18，该车架18具有安装于其中的履带20，以使车辆能在环境内移动。履带的一部分接触地面，以推进无人驾驶地面车辆。例如，引用在此作为参考的、共同所有并均处于审理中的、于2006年11月13日提交的标题为“Serpentine Robotic Crawler”(蛇形机器人履带车)的美国临时专利申请No.60/858,917以及标题为“Tracked Robotic Crawler Having A Movable Arm”(具有可动臂件的机器人履带车)的美国临时专利申请No.60/858,915描述了车体的各种不同的实施例，所述车体可用于本发明的实施例。各种其它车体配置也可以使用，如该领域的技术人员拥有该公开将会发生的。

配件14从车体向外伸出，但也可以朝向车体向内缩回，如图2所示。例如，配件可以缩回到车体中、部分地缩回到车体中、或者沿着车体的侧部缩回。传感器可以安装在配件的远端22，并因此能检测远离车架的周围区域的一位置处的环境。

无人驾驶地面车辆10的一个优点是，传感器16可提高无人驾驶地面车辆的检测能力，而不需要冒险安放车体12。例如，配件14可以伸出以窥视一角落、窥视一陡坡，或者从受保护的覆盖区下方向上窥视，而车体12仍然被安全地保护。来自隐藏的敌人的攻击危险主要限于传感器和配件。即使传感器和/或配件被攻击并损坏，无人驾驶地面车辆仍可以继续工作。无人驾驶地面车辆的能力可以通过包括多个带对应传感器的配件而得到增强。

配件14不必限于如图1所示沿车体12的行进路线24朝向前的方向伸出。图3示出无人驾驶地面车辆10’的可供选择的实施例，其中配件14’相对于车体的行进路线24沿横向26伸出。也可以使用其它变型。例如，竖直地伸出的配件可以将传感器安放到车体通常可见到或可达到的高度上方的高度处。

配件14的另一个优点是，可以对无人驾驶地面车辆10不能到达的区域实施感测。例如，配件可以插入对于无人驾驶地面车辆来说太小以致不能进入的开口或孔中。配件还可以例如通过包括接头而铰接，以在定位传感器16时提供更大的柔性。这也允许感测不在车体12视线内的区域。

配件14可以设计成自支承式。自支承式配件不需要靠在支承表面上，并因此例如可以竖直地或水平地伸过一边缘。然而，自支承式配件在可以达到的距离方面是有限的。

或者，配件可以是柔性和非自支承式的。图4示出无人驾驶机器人车辆30，该车辆30具有柔性非自支承式的配件32和传感器34。例如，配件可以包括能够绕在线轴上的光缆。由于通过光缆可传送高的带宽，所以传感器可以十分高级，从而提供通信返回车体的大的传感器数据率。通过使用光纤或小直径线缆，可以在使用较小线轴的同时在车体和传感器之间提供长的距离。

各种使用和部署柔性配件32的方法都是可行的。例如，柔性配件可以向下伸入一孔中，从而利用重力帮助将传感器34和配件拉入孔中。作为另一个例子，在一有限的区域如管道中，配件可以伸出以沿地表面滑动。在这种部署方式中可获得的延伸距离取决于配件和地表面之间的摩擦量及配件的轴向刚度。所谓轴向刚度是指沿配件纵向轴线方向施加的力对配件偏转的阻力。随着部署的配件的长度增加，抵抗配件滑动的摩擦增加。对于足够长的部署长度，该摩擦将足够高，以致试图将配件推出更远的距离将导致配件的皱曲。这种皱曲不一定引起例如对柔性光纤或类似电缆的损坏，但会限制传感器部署到更远的能力。摩擦量将根据环境而改变。例如，湿管道的内部可提供较低的摩擦，而沥青表面可提供较高的摩擦。

柔性配件32也可使传感器34能部署到一不在车体视线范围内的位置。例如，配件可以沿着有若干弯头和/或接头的管道向下蜿蜒前进。柔性配件不仅增加了传感器进入远处区域的能力，而且配件允许无人驾驶地面车辆在伸出配件的同时保持在更受保护的位置。

柔性配件和传感器34与无人驾驶机器人车辆30’相比可能是比较小的。这可提供用于独立的监视，因为无人驾驶机器人车辆不需要太靠近要监测的区域。柔性配件可以缓慢而安静地伸入到要监测的区域中。

利用配件32的另一种工作方式是在无人驾驶机器人车辆30移动时在其后方部署传感器34。例如，传感器可以安放在第一位置，然后将无人驾驶地而车辆移动到第二位置，同时将配件伸出。

尽管传感器示出为并描述成位于配件的远端处，但这不是必须的。传感器可以放置在车体上，并通过配件与远处的环境通信。例如，对于化学传感器，可以通过吸管或管状配件采集样品来提供对远处的环境的取样。

传感器可用来收集供无人驾驶地面车辆行进使用的信息。传感器所收集的信息可以反馈到无人驾驶地面车辆的导航系统。无人驾驶地面车辆可以通过伸出和移动配件来探测沿不同方向远离车辆的环境，以获得增加的对情况的了解。可以利用所得到的附加的信息来计划更有效和安全的运动。导航可以考虑周围环境(例如利用从安装在车体上的传感器得到的数据)和远处的环境(利用从联接到配件上的传感器得到的数据)。

例如在侦察或监视应用中，传感器数据还可以通过无人驾驶地面车辆与另一个位置通信。在现有技术中已知可以应用各种不同的方法，包括例如无线电通信链路、自由空间光学通信链路、和超声音频通信链路。在这些情况下利用无人驾驶地面车辆可以帮助避免使人员暴露于危险状况下。因此，无人驾驶地面车辆可以送到危险区域，以收集化学、生物和各种其它的物理测量结果，以确定情况。

在本发明的实施例中可以使用各种不同类型的传感器。更具体地，可用于本发明的传感器类型包括摄像机、化学传感器、生物传感器、光传感器、湿度传感器、振动传感器、温度传感器、电磁传感器、声音传感器、力传感器等。尽管大多数传感器是收集它们的环境信息的无源收集器，但有源传感器也是已知的，并可以与无人驾驶地面车辆一起使用。有源传感器通过主动探测环境来收集关于环境的信息，所述有源传感器包括例如声呐、雷达、激光雷达、带照明的摄像机等。更具体地，可能希望包括带摄像机传感器的光源，以提供照明，摄像机通过所述照明可以看见。摄像机可以在可见区、红外区、紫外区、或其它电磁波频谱区工作，或甚至同时在几个不同的电磁波频谱区工作。其它可以使用的传感器类型包括放射性同位素传感器(γ射线检测器、β射线检测器、α粒子检测器)、地震传感器、图像增强器(例如夜视)、热敏摄像机、压力传感器、磁力计等。也可以使用取样类型传感器(例如，用于地形、流体、化学药品等的取样)。多个传感器和传感器类型可以联接到配件上。

配件还可以包括操纵装置，如图3所示。操纵装置28靠近配件14’的远端22设置。例如，操纵装置可以是能选择性地抓取和松开物体的夹爪。因此，无人驾驶地面车辆10’可以行进到一特定位置，并利用操纵装置和配件在该位置拾取或放下有效载荷(payload)。

在另一实施例中，传感器16’可以可拆卸地连接到配件上。换句话说，传感器是有效载荷。这使传感器能被配件14’拾起或放下。传感器可以是包括电源和通信链路的自主式的，以允许将传感器数据传送到另一位置。无人驾驶地面车辆可包括能够利用操纵装置布置在几个位置的多个传感器。

可以同时部署上述多个无人驾驶地面车辆。无人驾驶地面车辆可以使它们的传感器信息与传感器(信息)整合点通信，在该处执行另外的处理。在现有技术中已知用于结合传感器数据以获得增强的性能的方法。例如，电磁传感器、振动传感器、或声能传感器可组合成虚拟数组，该虚拟数组提供进行三角测量、定位和确定能量源的能力。一区域的多位置可见图像可用于形成立体和三维图。

还可以部署多个无人驾驶车辆组，以提供通信中继(例如，对于无线电波或光波通信)、周围保护或感测、检测危险状况(例如矿山、临时爆破装置、军械库等)。

图5示出利用无人驾驶地面车辆在环境中遥测的方法的流程图。如上所述，无人驾驶地面机器人车辆具有可选择性地伸出和缩回的其上联接有传感器的配件。总体用标号40示出的方法包括步骤42：将无人驾驶地面车辆定位在环境内的第一位置。例如，车辆可以自动地或者在用户控制下行进到第一位置。该方法的另一步骤是步骤44：将配件从无人驾驶地面机器人车辆伸出，以将配件的远端定位在环境内的第二位置。该第二位置可以不处在无人驾驶机器人车辆的视线中。例如，如上所述，第二位置可以经过拐角或者越过突出部或孔的边缘。一旦将配件定位，则所述方法可以包括步骤46：通过配件收集与第二位置处的环境相关的传感器数据。另一个步骤可以包括步骤48：缩回配件。

在某种程度上概括并重早，按照本发明的实施例的无人驾驶地面车辆可以提供增强的感测和机动性。感测配件可用于感测远离车辆的环境，而不需要将车辆暴露于远处环境的危险中。刚性配件可用于短距离范围内的拐角和弯曲部的感测。柔性配件可允许感测很大距离，例如，向下的深孔和长隧道。可以将来自无人驾驶车辆组的传感器数据相结合，以提供增强的感测性能。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、(例如各个实施例之间的)组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。手段/装置加功能或步骤加功能的限定仅用在对于具体的权利要求的限定出现所有以下条件之处：a)在此限定中明确地记载了“用于...的手段/装置”或“用于...的步骤”；b)在此限定中明确地记载了对应的功能；和c)在说明书中描述了支持该功能的结构、材料或作用。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (20)

1.一种无人驾驶地面机器人车辆，包括：

车体，该车体能够在环境中运动；

配件，该配件联接到车体，并构造用于选择性地从主车体沿向外的方向伸出和沿朝主车体向内的方向至少部分地缩回；以及

传感器，该传感器联接到配件，并构造用于感测远离车架周围区域的位置处的环境。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器设置在配件的远端。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，传感器可拆卸地连接在配件上。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器包括摄像机。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器包括化学传感器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器包括光学传感器。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器包括力传感器。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件构造成相对于车体的行进路线沿基本向前的方向延伸。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件构造成相对于车体的行进路线沿基本横向延伸。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件还包括设置在配件的远端附近的操纵装置。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件还包括光纤。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，配件还包括当配件缩回时光纤缠绕于其上的卷轴。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件是柔性的和非自支承式的。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，配件是刚性的和自支承式的。

15.一种利用无人驾驶地面机器人车辆在环境中遥测的方法，所述车辆具有可选择性地伸出和缩回的配件，在该配件上联接有传感器，所述方法包括以下步骤：

将无人驾驶地面机器人车辆定位在环境中的第一位置；

将配件从无人驾驶地面机器人车辆伸出，以将配件远端定位在环境中的第二位置，其中第二位置与第一位置分开；

通过配件收集第二位置处与环境相关的传感器数据；以及

缩回配件。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在配件的远端可拆卸地连接有效载荷的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在第二位置处放置有效载荷的步骤。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在第二位置处拾取有效载荷的步骤。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括根据传感器数据控制无人驾驶机器人车辆的运动的步骤。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括将所述传感器数据与从另外的无人驾驶地面车辆接收的另外的传感器数据相结合的步骤。

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