ES2401509B1 - GUIDING SYSTEM FOR AUTONOMOUS MOVEMENT OF VEHICLES IN STRUCTURED ENVIRONMENTS. - Google Patents
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Abstract
El objetivo de la invención es un sistema de guiado de vehículos autónomos mediante cámaras y/o fotodetectores para seguir una trayectoria, que se determina por un conjunto de emisores láser dispuestos en un entorno estructurado, por ejemplo, en los distintos pasillos de un invernadero, y que determina la trayectoria a seguir.#Para el establecimiento de la trayectoria a seguir, se dispone de diversos emisores láser colocados en los pasillos del invernadero, que estarán activos en función de los pasillos que deba recorrer el vehículo para describir la trayectoria prevista.The aim of the invention is a system for guiding autonomous vehicles through cameras and / or photodetectors to follow a path, which is determined by a set of laser emitters arranged in a structured environment, for example, in the different aisles of a greenhouse, and that determines the path to follow. # For the establishment of the path to follow, there are several laser emitters placed in the corridors of the greenhouse, which will be active depending on the aisles that the vehicle must travel to describe the expected path.
Description
SISTEMA DE GUIADO PARA MOVIMIENTO AUTÓNOMO DE VEHÍCULOS EN ENTORNOS ESTRUCTURADOS GUIDANCE SYSTEM FOR AUTONOMOUS MOVEMENT OF VEHICLES IN STRUCTURED ENVIRONMENTS
Sistema de guiado para movimiento autónomo de vehículos en entornos estructurados. Guidance system for autonomous movement of vehicles in structured environments.
Sector de la técnica Technical sector
1O La presente invención se incluye dentro del sector de la industria auxiliar de agricultura en general, y más concretamente en el sector de la industria dedicado a la fabricación de máquinas y equipos para la realización de operaciones agrícolas. 1O The present invention is included within the sector of the auxiliary agriculture industry in general, and more specifically in the sector of the industry dedicated to the manufacture of machines and equipment for carrying out agricultural operations.
Estado de la técnica State of the art
15 Los sistemas de navegación usados actualmente para vehículos autónomos en entornos estructurados (por ejemplo un invernadero) son complejos y caros. Los más ampliamente usados se basan en técnicas de localización absoluta con sistemas basados en sistemas de posicionamiento global GPS (Global Positioning System) o mediante la utilización de 15 The navigation systems currently used for autonomous vehicles in structured environments (for example a greenhouse) are complex and expensive. The most widely used are based on absolute location techniques with systems based on Global Positioning System (GPS) or through the use of
20 balizas y guías AGV (Automatic Guided Vehicle), y en técnicas de localización relativa basadas en odometría. Los primeros presentan el inconveniente de la baja calidad de la señal en entornos cerrados y de un margen de error que los hacen poco eficientes en estos entornos, así como la necesidad de una gran inversión económica en instalación. Los sistemas basados en odometría presentan el problema de los errores acumulados en 20 AGV (Automatic Guided Vehicle) beacons and guides, and relative location techniques based on odometry. The former have the disadvantage of low signal quality in closed environments and a margin of error that make them inefficient in these environments, as well as the need for a large economic investment in installation. Odometry-based systems present the problem of errors accumulated in
25 desplazamientos largos, lo que no los hace adecuados para grandes entornos estructurados, como un invernadero. 25 long journeys, which does not make them suitable for large structured environments, such as a greenhouse.
La patente E89304450 quot;Control de vehículo automáticoquot; presenta un sistema típico de localización usando balizas. El vehículo incorpora un sistema de láseres para reconocer Patent E89304450 "Automatic vehicle control"; It presents a typical location system using beacons. The vehicle incorporates a system of lasers to recognize
30 marcas o balizas en el entorno. Dichas balizas están representadas por códigos de barras únicos, los cuales se utilizan para estimar la posición relativa del vehículo a través de triangulación (similar a como lo hace el GPS con satélites). La invención que se propone supone un avance respecto a este sistema, ya que el láser se utiliza para guiar al vehículo por una trayectoria definida y no para posicionarlo. 30 marks or beacons in the environment. These beacons are represented by unique barcodes, which are used to estimate the relative position of the vehicle through triangulation (similar to the way GPS does with satellites). The proposed invention is an advance with respect to this system, since the laser is used to guide the vehicle along a defined path and not to position it.
35 En la PCT/NL 1998/000450 quot;Sistema y método para el control de vehículosquot;, los autores presentan un sistema de guiado reactivo de un vehículo. La idea básicamente consiste en incluir en el escenario de trabajo del vehículo a automatizar un conjunto de marcadores-dispuestos a intervalos regulares en la superficie o paredes-para marcar la ruta que 35 In PCT / NL 1998/000450 "System and method for the control of vehicles", the authors present a reactive guidance system for a vehicle. The idea is basically to include in the work scenario of the vehicle to automate a set of markers - arranged at regular intervals on the surface or walls - to mark the route that
40 debería seguir el vehículo. Igual que antes, respecto a esta patente el sistema objeto de la invención se diferencia, porque propone un sistema de guiado basado en láseres sobre un entorno estructurado aunque, efectivamente, la trayectoria puede cambiar dependiendo de los láseres activos. La principal ventaja de este modo de operar es que los emisores láser siempre están colocados en una zona quot;visiblequot; para el vehículo y por lo 40 should follow the vehicle. As before, with respect to this patent, the system object of the invention differs, because it proposes a laser-based guidance system over a structured environment although, indeed, the trajectory can change depending on the active lasers. The main advantage of this mode of operation is that the laser emitters are always placed in an area "visible"; for the vehicle and so
45 tanto no existe posibilidad de oclusiones de marcadores como podría ocurrir en el caso de la patente citada. Nótese que este caso es de especial relevancia en entornos tipo invernadero donde el vehículo se encuentra en zonas no visibles para marcadores, debido a la presencia de las plantas, la mayor parte del tiempo. 45 There is no possibility of marker occlusions as could be the case with the cited patent. Note that this case is of special relevance in greenhouse environments where the vehicle is in areas not visible for markers, due to the presence of plants, most of the time.
En la patente E98306075 quot;Método y sistema para describir, generar y comprobar In patent E98306075 quot; Method and system to describe, generate and verify
5 trayectorias sin cables para automóviles guiados de forma automáticaquot; se presenta un sistema de guiado semi-reactivo en el que inicialmente se especifica la trayectoria de referencia del vehiculo (base de datos de coordenadas X,Y diferenciales). A medida que el vehiculo se mueve en el entorno y obtiene realimentación de marcadores colocados en dicho entorno corrige de forma reactiva su trayectoria. En la invención que se 5 wireless paths for automatically guided carsquot; A semi-reactive guidance system is presented in which the vehicle reference path is initially specified (differential X, Y coordinate database). As the vehicle moves in the environment and obtains feedback from markers placed in said environment, it correctively corrects its trajectory. In the invention that
1 O propone, no se especifica una trayectoria de referencia a priori, y por lo tanto el sistema de guiado es totalmente reactivo. 1 Or propose, a reference path a priori is not specified, and therefore the guidance system is fully reactive.
Descripción de la invención Description of the invention
La idea del sistema que se propone en la presente invención es similar al de usar guías monorraíles o guías magnéticas, con la diferencia de establecer la ruta mediante un emisor láser situado en el centro longitudinal del camino a recorrer (Figura 2). En este caso, el vehículo debería ir equipado con un conjunto de cámaras y fotodetectores que The idea of the system proposed in the present invention is similar to the use of monorail guides or magnetic guides, with the difference of establishing the route by means of a laser emitter located in the longitudinal center of the path to be traveled (Figure 2). In this case, the vehicle should be equipped with a set of cameras and photodetectors that
20 permitan detectar la ruta marcada por la red de emisores láser. Estas cámaras estarán colocadas en la parte frontal y en los laterales del vehículo. Esta técnica ofrece una precisión aceptable en entornos con un elevado número de obstáculos, y el coste de implementación no es tan elevado como en el caso de guías monorraíles o el uso de balizas. 20 allow the route marked by the network of laser emitters to be detected. These cameras will be placed on the front and on the sides of the vehicle. This technique offers acceptable accuracy in environments with a high number of obstacles, and the cost of implementation is not as high as in the case of monorail guides or the use of beacons.
25 El sistema de guiado para la realización de trabajos en invernadero que se propone en la presente invención, supone una novedad en el campo del empleo de máquinas autónomas en la realización de operaciones en invernaderos, ya que permite automatizar cualquier tipo de vehículo y a un coste de ejecución reducido (adquisición de cámaras de 25 The guidance system for carrying out greenhouse work proposed in the present invention, is a novelty in the field of the use of autonomous machines in the performance of operations in greenhouses, since it allows to automate any type of vehicle and at a cost reduced execution (acquisition of cameras
30 visión y emisores láseres). El empleo del sistema de guiado supone evitar la presencia de operarios en el invernadero para realizar operaciones peligrosas (tareas de pulverización), 30 vision and laser emitters). The use of the guidance system means avoiding the presence of operators in the greenhouse to carry out dangerous operations (spraying tasks),
o bien la ayuda en tareas de recolección y transporte. or help in collection and transport tasks.
El sistema que se pretende patentar está formado de un sistema de visión compuesto por 35 tres cámaras: una frontal y dos laterales, un conjunto de fotodetectores en la parte frontal y lateral del vehículo y un sónar frontal. The system that is intended to be patented is formed by a vision system consisting of three cameras: one front and two sides, a set of photodetectors on the front and side of the vehicle and a front sonar.
La cámara frontal recoge las imágenes de una pantalla sobre la que incide el puntero láser. Mediante un algoritmo de visión artificial se determinará la posición de punto láser 40 respecto al centro de la pantalla. De esta forma, se modificará la orientación del robot de acuerdo a la desviación estimada respecto al centro de la pantalla. The front camera collects the images from a screen on which the laser pointer strikes. Using an artificial vision algorithm, the position of the laser point 40 with respect to the center of the screen will be determined. In this way, the orientation of the robot will be modified according to the estimated deviation from the center of the screen.
Las dos cámaras de visión situadas en ambos laterales, en combinación con fotodetectores, determinan los giros que debe experimentar el vehículo para seguir el 45 camino adecuado, mediante la detección de un haz láser proveniente del pasillo lateral.
The two vision cameras located on both sides, in combination with photodetectors, determine the turns that the vehicle must experience to follow the appropriate path, by detecting a laser beam coming from the side aisle.
Durante la circulación por el pasillo, las cámaras laterales se mantienen inactivas, siendo la cámara frontal la que se encarga de dirigir la trayectoria del vehículo. Las imágenes captadas por las cámaras laterales se utilizan para detectar el láser que indica el cambio de trayectoria a seguir cuando la distancia detectada por el sónar frontal del vehículo es During the passage through the aisle, the side cameras remain inactive, with the front camera being responsible for directing the vehicle's trajectory. The images captured by the side cameras are used to detect the laser that indicates the change of trajectory to follow when the distance detected by the vehicle's front sonar is
5 menor a un umbral que indica el final del pasillo. 5 less than a threshold indicating the end of the hall.
El algoritmo de visión artificial se basa, primero, en realizar un proceso de corrección de imagen (realzado), posteriormente, se realizará un proceso de segmentación para diferenciar las partes que componen la imagen. De esta forma podrá detectar el punto 1 O correspondiente al lugar donde ha incidido el rayo láser. A continuación, se calcula la desviación de dicho punto (distancia euclídea) con respecto al punto central de la imagen (centro del pasillo). Finalmente, utilizando los parámetros de calibración de la cámara, esta desviación se pasará de unidades de imagen (píxeles) a unidades métricas, estimando por tanto la desviación con respecto al centro del pasillo del vehículo. Esta medida se The artificial vision algorithm is based, first, on performing an image correction process (enhanced), then a segmentation process will be carried out to differentiate the parts that make up the image. In this way you can detect the point 1 O corresponding to the place where the laser beam has affected. Next, the deviation of said point (Euclidean distance) with respect to the central point of the image (center of the corridor) is calculated. Finally, using the camera's calibration parameters, this deviation will be passed from image units (pixels) to metric units, thus estimating the deviation from the center of the vehicle aisle. This measure is
15 utilizará por controladores de bajo nivel que generan las señales de control apropiadas para mover las ruedas del vehículo. 15 will use low-level controllers that generate the appropriate control signals to move the wheels of the vehicle.
Para poder marcar la ruta que debe seguir el vehículo en el interior del invernadero se ha establecido una malla de emisores láser entre todos los pasillos del invernadero (ver To be able to mark the route that the vehicle must follow inside the greenhouse, a mesh of laser emitters has been established between all the corridors of the greenhouse (see
20 Figura 1 ). Dicha malla de emisores se encuentra conectada a un bus de campo conectado a su vez de forma remota a un computador. La forma de controlador el estado de los emisores es la siguiente. 20 Figure 1). Said transmitter mesh is connected to a fieldbus connected in turn remotely to a computer. The form of controller the status of the emitters is as follows.
Primero, el usuario establece desde el ordenador la ruta que debe seguir el robot. First, the user establishes from the computer the path that the robot must follow.
25 Posteriormente, se encienden los primeros láseres para marcar la ruta inicial del robot. A medida que el robot se mueve por el invernadero indica al ordenador remoto los pasillos por los que se ha movido, en este momento el ordenador remoto apaga los láseres de los pasillos pasados y enciende los nuevos láseres. De esta forma progresiva, se establece la ruta de referencia a seguir minimizando el consumo de energía por parte de los emisores 25 Subsequently, the first lasers are turned on to mark the initial path of the robot. As the robot moves through the greenhouse it indicates to the remote computer the corridors through which it has moved, at this time the remote computer turns off the lasers of the past corridors and turns on the new lasers. In this progressive way, the reference route is established to continue minimizing the energy consumption by the emitters
30 láseres. 30 lasers
Breve descripción de las figuras Brief description of the figures
35 Para la mejor comprensión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título de ejemplo, se incluyen las figuras 1 a 4. 35 For a better understanding of what is described herein, some drawings are attached in which, by way of example only, figures 1 to 4 are included.
Figura 1: Muestra la disposición de los emisores láser en el invernadero, y se puede Figure 1: Shows the arrangement of the laser emitters in the greenhouse, and you can
40 observar un ejemplo de trayectoria descrita donde se muestran qué láser se encuentra activo en cada momento con el fin de definir la trayectoria a seguir. 40 observe an example of the described trajectory where they show which laser is active at each moment in order to define the path to follow.
Figura 2: Muestra el proceso de detección del láser por parte del vehículo y cómo realiza el giro para continuar en la trayectoria deseada. Figure 2: Shows the process of laser detection by the vehicle and how it makes the turn to continue on the desired path.
45 Figura 3: Muestra una vista en perspectiva del diseño del cabezal diseñado para la utilización de cámaras tanto frontales como laterales para la detección de las señales láser
45 Figure 3: Shows a perspective view of the head design designed for the use of both front and side cameras for the detection of laser signals
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