ES2237314B1 - Tecnica de adaptacion de sistemas de navegacion con evitacion de obstaculos para ser utilizados en ingenios que se mueven en medios aereos, espaciales, acuaticos o terrestres. - Google Patents
Tecnica de adaptacion de sistemas de navegacion con evitacion de obstaculos para ser utilizados en ingenios que se mueven en medios aereos, espaciales, acuaticos o terrestres.Info
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Abstract
Técnica de adaptación de sistemas de navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en ingenios que se mueven en medios aéreos, espaciales, acuáticos o terrestres. El invento que se presenta es un procedimiento para adaptar métodos de navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en la gran mayoría de ingenios que se mueven en ambientes aéreos, espaciales, acuáticos o terrestres. El objeto de esta técnica es una capa de abstracción del vehículo basada en representar sus características propias (como la forma, cinemática y dinámica) en el espacio donde se utilizan los métodos de navegación con evitación de obstáculos. Así, de acuerdo con la presente invención, se consiguen utilizar métodos (que inicialmente no tienen en cuenta las características del vehículo) para guiar evitando colisiones la gran mayoría de aparatos móviles (los cuales tienen una determinada forma, cinemática y dinámica). Dichos aparatos pueden ser dirigidos, teleoperados o autónomos que se desplacen por el aire o espacio como aviones, cohetes o naves espaciales; acuáticos como submarinos o cualquier tipo de embarcación; o vehículos terrestres como coches, camiones, robots móviles o sillas de ruedas. A su vez, los sensores embarcados pueden ser de cualquier naturaleza con tal de que de ellos se pueda extraer información de distancia a los obstáculos, como por ejemplo sensores láser, ultrasonidos o visión.
Description
Técnica de adaptación de sistemas de navegación
con evitación de obstáculos para ser utilizados en ingenios que se
mueven en medios aéreos, espaciales, acuáticos o terrestres.
La presente invención está relacionada con las
técnicas de navegación y de guiado de vehículos. En particular con
los métodos de navegación encargados de conducir vehículos móviles
entre posiciones deseadas al mismo tiempo que se evitan los
obstáculos que se encuentran en el camino (información de los cuales
es obtenida por sensores).
El ingenio propuesto es un procedimiento que
permite utilizar existentes y futuros sistemas de navegación con
evitación de obstáculos sobre vehículos de forma que se consideren
explícitamente su geometría, cinemática y dinámica. El campo de
aplicación se extiende a los sectores de actividad en los cuales se
disponga de un vehículo (dirigido, teleoperado o autónomo) que
esté, o en su defecto se desee, equipar con sistemas de guiado con
evitación de obstáculos para mejorar su seguridad y ampliar sus
posibles aplicaciones. Dichos vehículos pueden desplazarse en
medios como el espacio, el aire, la tierra o el agua.
Las industrias de la automoción, aeronáuticas y
navales están desarrollando vehículos que cada día abarcan un
conjunto más amplio de aplicaciones, como los vehículos de
reconocimiento, los que realizan tareas peligrosas, limpiadores
automáticos, de construcción, de transporte, militares o incluso
robots móviles. En estas industrias está surgiendo un creciente
interés por incorporar sistemas para dotar estos vehículos con un
mayor grado de autonomía, mejorando así las prestaciones de los
mismos. Uno de estos sistemas es la navegación con evitación de
obstáculos, los cuales permiten guiar el vehículo mientras se
evitan colisiones con los posibles obstáculos que aparecen en el
camino. Estos sistemas pueden funcionar generando el movimiento
autónomamente, o bien compartiendo el control en vehículos
dirigidos o teleoperados, y su interés radica en mejorar la
seguridad de movimiento en cualquier tipo de
entorno.
entorno.
El objetivo de los sistemas de navegación es
conducir el vehículo hasta el destino, al mismo tiempo que se
evitan colisiones con posibles obstáculos (cuya localización es
normalmente desconocida a priori y además pueden ser
móviles). Entonces, estos sistemas deben de estar dotados de algún
sistema que permita obtener información del entorno (sensores que
detectan el estado del entorno y del vehículo), para generar el
movimiento en tiempo real reaccionando ante situaciones
imprevisibles.
Para tratar el problema de movilidad, estos
métodos están basados en un proceso de
percepción-acción que se repite
periódicamente a alta velocidad. Primero los sensores recogen la
información del estado del entorno (obstáculos) y del vehículo.
Después, en tiempo real, estos métodos calculan el siguiente
movimiento para evitar colisiones al mismo tiempo que hacen
converger la posición actual del vehículo hacia la posición final.
La orden de movimiento es ejecutada por el vehículo y el proceso ser
reanuda. Estos métodos son capaces de generar movimiento en
entornos desconocidos y/o dinámicos debido a que la información
sensorial se introduce en el bucle de control con elevada
frecuencia para reaccionar ante cualquier cambio.
Algunas de estas técnicas se basan en aplicar un
potencial atractivo en la posición final y uno repulsivo en los
obstáculos, calculando la dirección de movimiento como el gradiente
de la composición de ambos potenciales (Int. Journal of Robotic
Research, 5:90-98, 1986). En (IEEE
Transactions on Robotics and Automation, 7:278-288,
1991) se calcula la dirección de movimiento precalculando un
conjunto de posibles direcciones libres de colisiones, y se elige
una de ellas utilizando una estrategia de proximidad a la dirección
de la posición final. Otros métodos (IEEE Transactions on
Robotics and Automation, Spring 2004) están basados en
identificar una situación de navegación entre un conjunto
predefinido, y entonces aplicar una ley que calcula la dirección de
movimiento. En la patente US6134502 se presenta un método donde los
obstáculos y la posición final se representan con valores de cargas
de signo distinto y la dirección de movimiento se calcula como el
vector de la fuerza resultante. La patente US5570235 describe un
procedimiento para obtener la dirección de movimiento basado en
operadores que se aplican en los sectores que contienen obstáculos
y se combinan con una dirección de ruta. En US5920172 se describe
un procedimiento para mover el vehículo rodeando los obstáculos con
sucesivas pruebas en unas direcciones u otras.
La limitación de los métodos mencionados es que
no tienen en cuenta la geometría, cinemática y dinámica específicas
del vehículo sobre el que son utilizados en el proceso de cálculo
del movimiento. Esto supone una seria limitación cuando se aplican
sobre vehículos reales, ya que: el no tener en cuenta la dinámica y
la cinemática es lo mismo que ignorar como se mueve el vehículo y
por lo tanto esto llevará a colisiones; así mismo el no tener en
cuenta la geometría del mismo es como ignorar como es el robot y de
nuevo llevará inevitablemente a colisiones. Esta condición se pone
de manifiesto cuando por ejemplo se utilizan los métodos
previamente enumerados para dirigir un automóvil: los sistemas de
guiado calcularían una dirección de movimiento mientras que el
vehículo sólo puede moverse en arcos de círculo (cinemática), y
sólo algunos de estos arcos son posibles en un corto espacio de
tiempo (dinámica). Por ello la dirección de movimiento calculada
nunca podría ser ejecutada. Este sencillo ejemplo ilustra claramente
porqué los métodos de evitación de colisiones para vehículos han de
tener en cuenta aspectos como la cinemática, la dinámica y la
geometría del mismo.
Hasta la fecha no existe ningún procedimiento
para adaptar sistemas de navegación con evitación de colisiones a
trabajar sobre vehículos de forma que tengan en cuenta la geometría,
cinemática y dinámica de los mismos. Esta es la utilidad de la
presente invención.
El objeto del presente invento es una técnica de
adaptación de métodos de guiado con evitación de colisiones, para
trabajar en la gran mayoría de vehículos (los cuales tienen una
geometría, cinemática y dinámica específica). Así, por medio de este
ingenio, los actuales y futuros sistemas de navegación basados en
los sensores pueden ser utilizados sobre vehículos teniendo en
cuenta la forma, la cinemática y la dinámica de los mismos (aunque
originalmente estos sistemas no tuvieran en cuenta estos
aspectos).
Para poner en práctica esta invención, se
requiere: (a) un vehículo sobre el que se pueda actuar para ser
dirigido, el cual deberá de estar equipado con sensores para medir
el estado del entorno y el robot; (b) una posición destino, la cual
podrá ser introducida en el sistema de forma automática, por
humanos u obtenida por medio de información sensorial; (c) un
sistema de navegación con evitación de colisiones, el cual se desea
utilizar para guiar el vehículo.
La presente invención no realiza ningún tipo de
hipótesis sobre: (a) las características del vehículo como su
forma, su cinemática o su dinámica, ni del medio sobre el que se
desplaza; (b) los sensores utilizados, con tal de que de su
información sea posible obtener la posición de los obstáculos; (c)
la forma en la que se obtiene la posición de destino y (d) el
sistema de navegación con evitación de obstáculos utilizado.
La técnica propuesta se basa en incorporar la
información de las características del vehículo en el espacio donde
se utilizan los sistemas de navegación. De esta forma, cuando se
aplica el método de navegación, de la solución obtenida se calculan
movimientos que tienen en cuenta dichas características. A
continuación se describe este proceso etapa por etapa:
- 1.
- Geometría: Se calculan las posiciones del vehículo que: (a) puedan ser alcanzadas bajo la ejecución de una única orden de movimiento, y (b) estén en colisión con alguno de los obstáculos obtenidos por los sensores.
- 2.
- Cinemática: A estas posiciones se les aplica una transformación que depende de: (a) parámetros que unívocamente identifican los caminos cinemáticamente admisibles obtenidos bajo la ejecución de una única orden de movimiento, y (b) las distancias a dichas posiciones medidas sobre dicho camino. Cuando se aplica esta transformación a las posiciones obtenidas en la etapa anterior, éstas son representadas en un espacio de forma que cualquiera de ellas se alcanza por un movimiento rectilíneo, mientras que a su vez éste representa un movimiento sobre un camino cinemáticamente admisible. Esta transformación se aplica también a la posición destino para representarla en el mismo espacio.
- 3.
- Sistema de navegación: El sistema de navegación se utiliza en el espacio para calcular la mejor dirección de movimiento que evite las posiciones obstáculo (obtenidas en la etapa anterior), al mismo tiempo que haga converger la posición actual del vehículo hacia a la posición destino.
- 4.
- Dinámica: Se calculan las posiciones que puedan ser alcanzadas en el siguiente período de tiempo con órdenes de movimiento dinámicamente admisibles. A este conjunto de posiciones se les aplica la transformación anterior siendo así representadas en el espacio donde se computó la dirección de movimiento solución. Finalmente se elige una de las posiciones transformadas de este conjunto de forma que: (a) no esté en colisión con ningún obstáculo, y (b) esté lo más cerca posible de la dirección de movimiento calculada en la etapa anterior.
- 5.
- Movimiento: se calcula la posición del espacio real resultante de aplicar la transformación inversa (de la etapa 3) a la posición computada en la etapa anterior. Por último, se calcula la orden de movimiento que mueve el vehículo hasta esta posición en el periodo de tiempo correspondiente al periodo de muestreo.
Las órdenes de movimiento calculadas tienen en
cuenta la geometría del vehículo, ya que en la etapa 1 se calculan
las posiciones del mismo que están en colisión con los obstáculos.
Las restricciones cinemáticas se tienen en cuenta en la etapa 2, ya
que se realiza una transformación del espacio normal de movimiento
del robot (donde los caminos dependen de su cinemática), a un
espacio en el que el robot se desplaza en movimientos rectilíneos
(objeto libre de restricciones cinemáticas). De este modo se
utiliza el sistema de navegación (etapa 3) que no tiene en cuenta
estas restricciones en este último espacio (en el que la geometría
y la cinemáticas están implícitas). La dirección de movimiento
solución se utiliza para calcular una posición libre de colisiones
dentro del conjunto de posiciones alcanzables por movimientos
cinemática y dinámicamente admisibles. Finalmente se calcula la
orden de movimiento que lleva el vehículo a la posición real (que
se calcula deshaciendo la transformación), el cual se utiliza para
mover el vehículo y el proceso vuelve a empezar.
A continuación se describe la técnica objeto de
la patente haciendo referencia a los dibujos que se adjuntan, en
los que:
\bullet Figura 1: describe de forma esquemática
las trayectorias circulares llevadas a cabo por un automóvil cuando
se fija una dirección de movimiento.
\bullet Figura 2: presenta una disposición del
vehículo, una serie de obstáculos y una posición final destino.
\bullet Figura 3: presenta la disposición en el
espacio de las posiciones que si son alcanzadas moviendo el
vehículo sobre un arco de círculo llevan a una colisión con algún
obstáculo.
\bullet Figura 4: describe las posiciones que
llevan a colisión representadas en el espacio en el que son
alcanzadas por movimientos rectilíneos, la dirección solución del
sistema de navegación y la posición calculada basándose en ésta
dirección de movimiento.
La presente invención se ilustra mediante el
siguiente ejemplo, que no es en ningún caso limitativo de su
alcance, el cual viene definido exclusivamente por la nota
reivindicatoria.
Dicho ejemplo consiste en adaptar un sistema de
navegación dado (por ejemplo un método de potencial, ver
International Journal of Robotic Research 5,
90-98, 1986) para mover de forma automática un
automóvil hacia una posición destino, mientras se evitan colisiones
con obstáculos. El ejemplo de aplicación queda restringido al
movimiento en el plano.
El automóvil (que se desplaza por una superficie
plana) está dotado de sensores para detectar la posición de los
obstáculos (por ejemplo un sensor de proximetría láser o unos
sensores de ultrasonidos) y de una forma de actuar sobre la
dirección de movimiento y velocidad del mismo (\theta y v en la
Figura 1).
La Figura 2 muestra en un instante los obstáculos
(OB1, OB2, OB3 y OB4) detectados por los sensores del vehículo C.
El sistema de navegación debe de computar la orden de movimiento
(\theta, v) que evita colisiones con los obstáculos al tiempo que
hace converger la posición del mismo hacia la posición destino
(GOAL).
La Figura 1 muestra cómo el automóvil describe
una trayectoria circular bajo la ejecución de una orden de
movimiento. Dicha circunferencia tiene su centro (O) en el eje
trasero de las ruedas (eje X) y su radio (R) viene determinado por
la dirección de movimiento \theta , siendo R =
L\cdottan^{-1}(\theta) , donde L es la distancia entre
ejes del vehículo.
Por otro lado, el sistema de navegación elegido
para este ejemplo de aplicación calcula una dirección de movimiento
como el gradiente de la fuerza resultante de aplicar un potencial
repulsivo en los obstáculos, y uno atractivo en la posición de
destino. Nótese que en éste esquema no interviene ni la geometría,
cinemática ni dinámica del vehículo.
A continuación se detalla como utilizar el
presente ingenio para calcular las órdenes de movimiento por medio
del sistema de navegación dado, de forma que se tenga en cuenta la
forma, cinemática y dinámica del vehículo:
- 1.
- Geometría: se calculan las posiciones del espacio que son alcanzables moviendo el vehículo sobre una trayectoria circular y que a su vez estén en colisión con un obstáculo. La Figura 3 muestra estas posiciones (COB1, COB2, COB3 y COB4) que corresponden respectivamente a los obstáculos (OB1, OB2, OB3, y OB4 de la Figura 2).
- 2.
- Cinemática: un parámetro que describe unívocamente un camino circular hacia un punto (x,y) es el radio (R) del círculo, y la distancia medida sobre dicho círculo es el arco del círculo (L). Por tanto una transformación espacial que dependa de ambos parámetros puede ser T(x,y)=(L,sign(x).atan(R)), donde cada posición del espacio de movimiento del robot (x,y) se transforma a un espacio representado en coordenadas polares por conveniencia. Aplicando esta transformación a las posiciones obtenidas en la etapa anterior (COB1, COB2, COB3, y COB4 en la Figura 3) se obtienen estás posiciones pero en otra representación espacial (OBT1, OBT2, OBT3 y OBT4 en la Figura 4). A su vez también se aplica la transformación a la posición de destino (GOAL en la Figura 2) representándola en el nuevo espacio (GOALT en la Figura 4).
- 3.
- Sistema de navegación: El sistema de navegación se utiliza en el nuevo espacio para calcular la mejor dirección de movimiento (Dl en la Figura 4). Dicha solución se obtiene del gradiente de la fuerza resultado de aplicar un potencial repulsivo a la información de los obstáculos (OBT1, OBT2, OBT3, y OBT4 en la Figura 4) y uno atractivo a en la posición destino (GOALT en la Figura 4).
- 4.
- Dinámica: En función de la dinámica del vehículo, se computan las máximas variaciones de dirección y velocidad, \Delta(\alpha) y \Delta(v), sobre las direcciones y velocidades actuales, (\alpha_{o},v_{o}). De esta forma las órdenes de movimiento dinámicamente admisibles serán [\alpha_{o}\pm\Delta\alpha, v_{o}\pm\Deltav]. Haciendo una simulación dinámica de estas órdenes de movimiento durante un periodo de muestreo (el que se utiliza en el método de navegación) se calculan las posiciones cinemática y dinámicamente admisibles (SW en la Figura 2). A estas posiciones se les aplica la transformación propuesta en la etapa 2 obtenidas en el nuevo espacio (SWT en la Figura 4). Finalmente, se elige una posición de este conjunto (L1 en la Figura 4) que no esté en colisión y esté lo más próxima a la dirección solución (D1 en la Figura 4).
- 5.
- Movimiento: A la posición seleccionada (L1 en la Figura 4) se le aplica la inversa de la transformación T para calcular la posición en el espacio real del vehículo (V2 en la Figura 2) y finalmente, utilizando las ecuaciones de movimiento del mismo, se calcula la orden de movimiento (\theta,v) que durante el siguiente periodo de muestreo conduce el vehículo a esa posición (V2). La orden se ejecuta y este proceso vuelve a empezar.
Este bucle se ejecuta a alta frecuencia (una vez
en cada periodo de muestreo) con una nueva información sensorial y
haciendo efectivo el movimiento calculado sobre el automóvil. El
resultado de este proceso es que el vehículo es guiado hacia la
posición destino deseada, al tiempo que evita las colisiones con
los obstáculos percibidos por los sensores. Nótese que el
procedimiento propuesto sólo adapta un sistema de navegación dado
al vehículo (incluido en la etapa 3 e independiente del resto del
procedimiento). Por esta razón éste procedimiento puede ser
utilizado para adaptar un gran número de existentes y futuros
sistemas de navegación a vehículos reales.
Claims (6)
1. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado porque se basa en
representar las características propias del vehículo (forma,
cinemática y dinámica) en el espacio donde se utilizan los métodos
de navegación con evitación de obstáculos.
2. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado porque para detectar
los obstáculos puede usarse cualquier sensor con tal de que de la
información del mismo puedan calcularse las distancias a los
mismos.
3. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado por representar en el
espacio la forma del vehículo por medio del cálculo de las
posiciones y orientaciones que sean alcanzables bajo la ejecución
de órdenes de movimiento y que estén en colisión con algún
obstáculo.
4. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado por construir una
transformación espacial teniendo en cuenta la cinemática del
vehículo, de tal forma que toda posición y orientación del espacio
alcanzable por un camino cinemáticamente admisible pasa a ser
alcanzable en el nuevo espacio por un desplazamiento
rectilíneo.
5. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado por aplicar la
transformación (caracterizada en la reivindicación 3) a las
posiciones en colisión (caracterizadas en la reivindicación 2) y
utilizar el sistema de navegación en el espacio resultante.
6. Un procedimiento de adaptación de sistemas de
navegación con evitación de obstáculos para ser utilizados en
vehículos que se desplazan por medios terrestres, aéreos,
espaciales o submarinos, caracterizado por calcular las
posiciones del espacio alcanzables durante un periodo de muestreo
por órdenes de movimiento dinámicamente admisibles, y seleccionar
una de ellas en base a la solución obtenida por el sistema de
navegación (a partir de la cual calcula a continuación el movimiento
para guiar el vehículo por medio de las ecuaciones de movimiento del
mismo).
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