ES2646267T3 - Planificación de rutas - Google Patents

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ES2646267T3 ES14736945.8T ES14736945T ES2646267T3 ES 2646267 T3 ES2646267 T3 ES 2646267T3 ES 14736945 T ES14736945 T ES 14736945T ES 2646267 T3 ES2646267 T3 ES 2646267T3
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Abstract

Un método para determinar una ruta (4) para un vehículo (2), comprendiendo el método: proporcionar una posición de partida para el vehículo (2); proporcionar una posición final deseada para el vehículo (2); y utilizar la posición de partida proporcionada y la posición final deseada, realizando, mediante uno o más procesadores (8), un proceso de optimización para determinar una posición para cada punto de la ruta de acceso en una secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn), proporcionando de este modo la ruta (4) para el vehículo (2) definida por la secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn), en donde realizar el proceso de optimización comprende: para cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta (P1) en la secuencia ordenada (P1 - Pn) ni el último punto de la ruta ( Pn) en la secuencia ordenada (P1 - Pn), limitar un ángulo entre una línea que conecta ese punto de la ruta al punto de la ruta que precede a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) y una línea que conecta ese punto de la ruta al siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) para ser mayor o igual que un ángulo predefinido, caracterizado por minimizar una distancia entre la posición final deseada para el vehículo (2) y un último punto de la ruta (Pn) en la secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn), y para cada punto de la ruta que no sea un último punto de la ruta (Pn) en la secuencia de los puntos de la ruta (P1 - Pn), limitar una distancia entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) para ser igual a una distancia predefinida.

Description

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DESCRIPCION
Planificacion de rutas.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a la planificacion de rutas y al aparato para la planificacion de rutas para vehmulos. Antecedentes
Las metodologfas de planificacion de rutas o metodologfas de planificacion de trayectorias, por ejemplo, utilizando programacion lineal entera mixta (MILP), se utilizan para determinar globalmente las trayectorias optimas para vehmulos. Muchas metodologfas de planificacion de rutas limitan las trayectorias de los vehmulos con una aproximacion lineal de la dinamica del vehmulo.
Muchos vehmulos (incluyendo, por ejemplo, automoviles, camiones, vehmulos oruga, aeronaves y barcos) estan sujetos a una limitacion de radio de giro mmimo. Dichas limitaciones suelen ser diffciles de incluir en un problema de planificacion de ruta lineal, ya que dichas limitaciones son intrmsecamente no lineales.
Muchos procesos MILP implementan limitaciones adicionales en la dinamica del vehmulo con el fin de producir una trayectoria valida. Sin embargo, dichos enfoques suelen fallar si una solucion optima contiene velocidades cercanas a cero.
El documento US 6.477.515 B1 describe un sistema para el calculo de rutas de menos coste con duras limitaciones tales como el angulo de giro, de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.
Resumen de la invencion
En un primer aspecto, la presente invencion proporciona un metodo para determinar una ruta para un vehmulo. El metodo comprende: proporcionar una posicion de partida para el vehmulo; proporcionar una posicion final deseada para el vehmulo; y utilizar la posicion de partida proporcionada y la posicion final deseada, realizando, mediante uno o mas procesadores, un proceso de optimizacion para determinar una posicion para cada punto de la ruta en una secuencia ordenada de puntos de la ruta, proporcionando de este modo la ruta para el vehmulo definida por la secuencia ordenada de puntos de la ruta. Realizar el proceso de optimizacion comprende: minimizar una distancia entre la posicion final deseada para el vehmulo y un ultimo punto de la ruta en la secuencia de puntos de la ruta; para cada punto de la ruta que no sea un ultimo punto de la ruta en la secuencia de puntos de la ruta, limitar una distancia entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada para que sea igual a una distancia predefinida; y para cada punto de la ruta distinto del primer punto de la ruta en la secuencia ordenada y del ultimo punto de la ruta en la secuencia ordenada, limitar un angulo entre una lmea que conecta ese punto de la ruta al punto de la ruta que precede ese punto de la ruta en la secuencia ordenada y una lmea que conecta ese punto de la ruta al siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada para que sea mayor o igual que un angulo predefinido.
El metodo puede comprender ademas controlar, mediante un controlador de vehmulos operativamente acoplado a uno o mas procesadores, el vehmulo de manera que el vehmulo siga la ruta determinada.
Realizar el proceso de optimizacion puede comprender: para cada punto de la ruta, proyectar un vector entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada en cada uno de los varios vectores base, proporcionando de este modo varias proyecciones; y para cada punto de la ruta, limitar las varias proyecciones para ese punto de la ruta para que sea menor o igual que la distancia predefinida.
Realizar el proceso de optimizacion puede comprender: para cada punto de la ruta, proyectar un vector entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada en cada uno de los varios vectores base, proporcionando de este modo varias proyecciones; y para cada punto de la ruta, limitar una de las proyecciones para ese punto de la ruta para que sea mayor o igual que alguna parte de la distancia predefinida.
Realizar el proceso de optimizacion puede comprender, para cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta en la secuencia ordenada ni el ultimo punto de la ruta en la secuencia ordenada, limitar una distancia entre ese punto de la ruta y una lmea que conecta el punto de la ruta que precede a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada al punto de la ruta que sigue a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada para que sea menor o igual que una distancia predefinida adicional.
La distancia predefinida adicional puede ser alguna funcion de un angulo, dependiendo el angulo de un radio de giro mmimo del vehmulo.
La distancia predefinida adicional puede ser alguna funcion de la distancia predefinida.
Realizar el proceso de optimizacion puede comprender limitar una posicion del segundo punto de la ruta en la secuencia ordenada para depender de una posicion del primer punto de la ruta en la secuencia ordenada y de un vector que senale, en esencia, en la misma direccion que una velocidad inicial del vehmulo.
El vehnculo puede funcionar con el fin de cambiar entre funcionar con una marcha de avance y funcionar con una marcha de retroceso. El proceso de optimizacion puede comprender ademas determinar un perfil de cambio para el vehnculo, especificando el perfil de cambio, para cada punto de la ruta, tanto si el vehnculo cambia o no de funcionar con una marcha de avance a funcionar con una marcha de retroceso o viceversa.
5 El proceso de optimizacion puede comprender ademas determinar un perfil de velocidad para el vefnculo. El perfil de velocidad puede especificar una velocidad para el vehnculo en cada punto de la ruta en la secuencia ordenada de puntos de la ruta.
Realizar el proceso de optimizacion puede comprender limitar una velocidad del vehnculo en el ultimo punto de la ruta en la secuencia ordenada para ser menor o igual que una velocidad lfmite predefinida.
10 En un aspecto adicional, la presente invencion proporciona un aparato para determinar una ruta para un vehnculo. El aparato comprende uno o mas procesadores configurados para, utilizando una posicion de partida para el vehnculo y una posicion final deseada para el vehnculo, realizar un proceso de optimizacion para determinar una posicion para cada punto de la ruta en una secuencia ordenada de puntos de la ruta, definiendo la secuencia ordenada de puntos de la ruta la ruta para el vehnculo. Realizar el proceso de optimizacion comprende: minimizar una distancia entre la 15 posicion final deseada para el vehnculo y un ultimo punto de la ruta en la secuencia de puntos de la ruta; para cada punto de la ruta que no sea un ultimo punto de la ruta en la secuencia de puntos de la ruta, limitar una distancia entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada para que sea igual a una distancia predefinida; y para que cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta en la secuencia ordenada ni el ultimo punto de la ruta en la secuencia ordenada, limitar un angulo entre una lmea que conecta ese punto de la ruta 20 al punto de la ruta que precede ese punto de la ruta en la secuencia ordenada y una lmea que conecta ese punto de la ruta al siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada para que sea mayor o igual que un angulo predefinido.
El aparato puede comprender ademas un controlador de vehnculos acoplado operativamente a uno o mas procesadores y configurado para controlar el vehnculo de manera que el vehnculo siga la ruta determinada.
En un aspecto adicional, la presente invencion proporciona un programa o varios programas dispuestos de tal manera 25 que cuando son ejecutados por un sistema informatico o uno o mas procesadores provoca(n) que el sistema informatico o el uno o mas procesadores funcionen de acuerdo con el metodo de cualquiera de los aspectos anteriores.
En un aspecto adicional, la presente invencion proporciona un medio de almacenamiento legible por maquina que almacena un programa o al menos uno de los varios programas de acuerdo con el aspecto anterior.
Breve descripcion de los dibujos
La Figura 1 es una ilustracion esquematica (no a escala) que muestra un supuesto en el que se implementa una forma 30 de realizacion de un metodo para controlar un vehnculo;
La Figura 2 es un diagrama de flujo del proceso que muestra una forma de realizacion de un metodo para controlar el vehnculo;
La Figura 3 es una ilustracion esquematica (no a escala) que muestra varios vectores base; y
La Figura 4 es una ilustracion esquematica (no a escala) que ilustra las limitaciones en una curvatura de una ruta para 35 el vehnculo.
Descripcion detallada
La Figura 1 es una ilustracion esquematica (no a escala) que muestra un supuesto 1 en el que se implementa una forma de realizacion de un metodo para controlar un vehnculo 2.
En este supuesto 1, el vehnculo 2 es un vehnculo terrestre o de superficie. En otras palabras, el vehnculo 2 esta configurado para viajar por el suelo. Por ejemplo, el vehnculo 2 es un vehnculo con ruedas o con orugas.
40 En este supuesto, el vehnculo se controla de manera que el vehnculo 2 se desplaza por una ruta 4 por el suelo. La terminologfa "ruta" se utiliza en la presente memoria para referirse a un trayecto para el vehnculo 2 desde una primera ubicacion en el suelo hasta una segunda ubicacion en el suelo.
La ruta 4 comprende una secuencia ordenada de puntos P1, P2, P3, ..., Pn.
P1 es el primer punto de la ruta 4.
45 Pn es el punto final de la ruta 4.
En este supuesto 1, el vehnculo 2 se controla desde una estacion de tierra 4.
En este supuesto 1, la estacion de tierra 6 comprende un planificador de rutas 8 y un controlador de vehnculos 10.
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El planificador de rutas 8 se configura para determinar la ruta 4 para el vehnculo 2. La determinacion de la ruta 4 para el vehnculo 2 se describe con mas detalle mas tarde a continuacion.
El modulo de planificacion de rutas 8 se acopla al controladorde vehnculos 10 de modo que la informacion (por ejemplo, la informacion que especifica la ruta 4) se puede enviar entre el planificador de rutas 8 y el controlador de vehnculos 10.
El controlador de vehnculos 10 se configura para controlar el vehnculo 2 de manera que el vehnculo siga la ruta 4 determinada por el planificador de rutas 8. El controlador de vehnculos 10 controla el vehnculo 2 enviando una o mas senales de control (es decir, instrucciones que deben ser implementadas por el vehnculo 2) al vehnculo 2. Se envfa una senal de control desde el controlador de vehnculos 10 al vehnculo 2 a traves del enlace de comunicaciones 12.
En esta forma de realizacion, el enlace de comunicaciones 12 es un enlace de comunicaciones inalambricas.
La Figura 2 es un diagrama de flujo de proceso que muestra una forma de realizacion de un metodo para controlar el vehnculo 2.
En la etapa s2, el planificador de rutas 8 recibe una especificacion de un punto de partida del vehnculo 2.
El punto de partida del vehnculo 2 se indica en la presente memoria, como Ppartida.
En esta forma de realizacion, el punto de partida Ppartida para el vehnculo 2 se puede especificar de cualquier manera apropiada. Por ejemplo, un usuario/operador humano del vehnculo 2 puede identificar el punto de partida Ppartida para el vehnculo 2 e introducir una especificacion para el punto de partida Ppartida identificado en el planificador de rutas 8. La terminologfa "identificar" incluye cualquier forma apropiada de identificar, seleccionar, elegir, establecer, adquirir, etc.
En la etapa s4, el planificador de rutas 8 recibe una especificacion para un destino deseado para el vehnculo 2.
El destino para el vehnculo 2 se indica en la presente memoria como Pfinal.
En esta forma de realizacion, el destino Pfinal para el vehnculo 2 se puede especificar de cualquier manera apropiada. Por ejemplo, un usuario/operador humano del vehnculo 2 puede identificar el destino Pfinal para el vehnculo 2 e introducir una especificacion para el destino Pfinal identificado en el planificador de rutas 8.
En la etapa s6, utilizando el punto de partida Ppartida y el de destino Pfinal recibidos para el vehnculo 2, el planificador de rutas 8 determina una especificacion para la ruta 4 a seguir para el vehnculo 2.
En esta forma de realizacion, la ruta 4 es un trayecto desde el primer punto de la ruta P1 hasta el punto final de la ruta Pn.
El proceso de planificacion de ruta realizado por el planificador de rutas 8 en la etapa s6 se describe con mas detalle mas tarde a continuacion, despues de una descripcion de las etapas s8 y s10.
En la etapa s8, el planificador de rutas 8 envfa informacion que especifica la ruta determinada 4 al controlador de vehnculos 10.
En la etapa s10, utilizando la especificacion de la ruta recibida, el controlador de vehnculos 10 controla el vehnculo 2 de manera que el vehnculo 2 siga la ruta 4.
En esta forma de realizacion, el controlador de vehnculos 10 controla el vehnculo 2, utilizando la especificacion de la ruta recibida, generando una o mas senales de control para el vehnculo 2. El controlador de vehnculos 10 envfa a continuacion la senal de control generada al vehnculo 2 a traves del enlace de comunicaciones 12 El vehnculo 2 recibe las senales de control del controlador de vehnculos 10 e implementa las acciones especificadas por esas senales de control.
Por lo tanto, el vehnculo 2 se controla de manera que el vehnculo se mueva a lo largo de la ruta 4, desde el primer punto de la ruta P1 hasta el punto final de la ruta Pn.
Por lo tanto, se proporciona un metodo para controlar el vehnculo 2.
Volviendo ahora al proceso de planificacion de ruta realizado por el planificador de rutas 8 en la etapa s6, la siguiente informacion es util para comprender la determinacion de la especificacion de ruta.
Una ruta P para el vehnculo 2 se puede especificar mediante una secuencia ordenada de n puntos. En otras palabras, una ruta P para el vehnculo se puede expresar como:
P = [Pl, P2, Ps......... Pn]
donde: P es la ruta para el vehnculo; y
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Pi es un punto a lo largo de la ruta P. Pi es el primer punto de la ruta P. Pn es el punto final de la ruta P.
En la etapa s6, el planificador de rutas 8 realiza un proceso de optimizacion para determinar una secuencia optima de los puntos P1 a Pn, proporcionando de este modo una especificacion para la ruta 4 que ha de ser seguida por el vetnculo 2.
En esta forma de realizacion, el proceso de optimizacion esta limitado por una serie de limitaciones, por ejemplo, una o mas de las siguientes limitaciones.
En esta forma de realizacion, una primera limitacion es que la distancia entre el destino Pfinal deseado para el vetnculo 2 y el ultimo punto de la secuencia Pn se minimice, es decir,
minimizar F =11 PH -Pfiriai II
P
En esta forma de realizacion, una segunda limitacion es que la separacion, es decir, la distancia, entre dos puntos de la ruta consecutivos sea igual a un valor de distancia predefinido. El valor de distancia predefinido se indica en la presente memoria como Dmax. A continuacion, en la presente memoria esta limitacion se denomina "limitacion de separacion".
La limitacion de separacion se puede expresar como:
imagen1
Esta expresion para la limitacion de separacion dada en la Ecuacion 1 es no lineal y contiene una igualdad.
En esta forma de realizacion, la limitacion de separacion (Ecuacion 1) se resuelve aproximando la norma 2 con desigualdades lineales. En particular, en esta forma de realizacion, al aproximar la norma de un vector diferencia entre dos puntos de la ruta, ese vector diferencia se proyecta sobre cada vector base en un conjunto de M vectores base.
Los M vectores base usados en esta forma de realizacion se ilustran esquematicamente en la Figura 3.
En esta forma de realizacion, los M vectores base 14 son vectores radiales desde un centro 16 de un cfrculo a una circunferencia 18 de ese drculo. El centro 16 se puede situar en un origen (0, 0).
Ademas, en esta forma de realizacion, para implementar la limitacion de separacion, la igualdad en la Ecuacion 1 es, en efecto, reemplazada por dos desigualdades.
Una primera de las dos desigualdades limita el valor maximo de la separacion entre dos puntos de la ruta consecutivos. Esta primera desigualdad se denomina en lo sucesivo en la presente memoria "limitacion maxima de separacion". La limitacion maxima de separacion se puede expresar como:
imagen2
donde: Pxi es una coordenada x (en el suelo) del punto de la ruta Pi; y Pyi es una coordenada y (en el suelo) del punto de la ruta Pi.
En efecto, la ecuacion 2 proyecta un vector diferencia entre dos puntos de la ruta en cada uno de los M vectores base 14. En esta forma de realizacion, si el resultado de cada proyeccion es menor que Dmax, se cumple la limitacion de separacion maxima (Ecuacion 2).
Una segunda de las dos desigualdades limita el valor mmimo de la separacion entre dos puntos de la ruta consecutivos. Esta primera desigualdad se denomina en lo sucesivo en la presente memoria "limitacion minima de separacion". La limitacion minima de separacion se puede expresar como:
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imagen3
donde: c es una constante que esta cerca, pero menor de, 1. (En esta forma de realizacion, c es un valor entre 0,9 y 0,95. Los valores mas grandes de c pueden conducir a problemas de convergencia en el solucionador numerico. Los valores mas pequenos de c suelen producir errores en la aproximacion de limitacion de curvatura. Sin embargo, en otras formas de realizacion, se pueden utilizar valores diferentes para c); y b es una variable de decision binaria. (En esta forma de realizacion, b es una matriz con n filas y M columnas. En esta forma de realizacion, la variable de decision binaria b establece que, durante el proceso de optimizacion, se seleccione una de las limitaciones M a cumplir, mientras que se ignoran las otras limitaciones M-1.
La limitacion de separacion dada por las Ecuaciones 2 y 3 limita ventajosamente la separacion entre los puntos del plan consecutivos.
En esta forma de realizacion, una tercera limitacion es una limitacion sobre la posicion del punto medio de cualesquiera tres puntos del plan consecutivos. Esta limitacion se denomina en lo sucesivo en la presente memoria "limitacion de curvatura de la ruta". La limitacion de curvatura de la ruta suele establecer ventajosamente que un vehmulo con un radio de giro mmimo pueda seguir la ruta determinada.
En esta forma de realizacion, segun se ilustra en la Figura 4, la curvatura de una ruta se limita requiriendo que, para una secuencia consecutiva de puntos pj-1, P Pj+i lo por los puntos
Pj-1, A, Pj+1 y B. En esta forma de realizacion, el angulo entre la lmea desde Pj-1 a Ay la lmea de Pj-1 a B es a. Del mismo modo, el angulo entre la lmea desde Pj+i a Ay la lmea de Pj+i a B es a. En esta forma de realizacion, el angulo entre la lmea desde A a Pj-i y la lmea desde A a Pj+i es p. Del mismo modo, el angulo entre la lmea desde B a Pj-i y la lmea desde B a Pj+i es p.
En esta forma de realizacion, como la separacion entre puntos de la ruta consecutivos es igual a Dmax, Pi es equidistante entre Pi-i y Pi+i.
Por lo tanto, en esta forma de realizacion, el angulo en Pj (es decir, el angulo entre la lmea desde Pi-i a Pi y la lmea desde Pi a Pi+i) es mayor o igual que U. El valor de p depende del valor de a y la separacion de puntos Dmax. En esta forma de realizacion, el valor de a es un valor predeterminado que depende del radio de giro, o drculo de giro, del vehmulo 2. La terminologfa "radio de giro" se utiliza en la presente memoria para referirse al radio del giro circular mas pequeno que un vehmulo es capaz de realizar. En esta forma de realizacion, los vehmulos que tienen un radio de giro relativamente pequeno corresponden a valores relativamente grandes de a, mientras que los vehmulos que tienen un radio de giro relativamente grande corresponden a valores relativamente pequenos de a.
La limitacion de curvatura de la ruta se puede expresar como sigue:
p p ______II fn\
H /+■ _ p p < n cjn — Ecuador) 4
2 ' ' P ”"X I2J
donde: PkPi es una lmea entre Pk y Pi; y
a es un valor predeterminado que depende del radio de giro del vehmulo 2.
En esta forma de realizacion, la limitacion de curvatura de la ruta (Ecuacion 4) se implementa mediante el planificador de rutas 8 aproximando la Ecuacion 4 utilizando la misma tecnica que se utilizo para aproximar la Ecuacion 3 que se describe con mas detalle anteriormente, es decir
imagen4
imagen5
imagen6
entonces
imagen7
imagen8
5 En esta forma de realizacion, una cuarta limitacion es que la secuencia de puntos se inicie en el punto de partida Ppartida del vehfculo 2, es decir, P1 = Ppartida.
En esta forma de realizacion, una quinta limitacion es una limitacion en el segundo punto P2 en la secuencia de puntos de la ruta. En esta forma de realizacion, el segundo punto de la ruta P2 esta limitado por:
imagen9
10 donde: Vi es el vector velocidad inicial del vetnculo; y evi es un vector unitario con la misma direccion que Vi.
Esta quinta limitacion suele establecer ventajosamente que se requiera que el vetnculo 2 se desplace, en cierta medida, en la direccion en la que esta orientado antes de girar.
En las formas de realizacion anteriores, el proceso de optimizacion realizado por el planificador de rutas en la etapa 15 s6 del proceso de la Figura 2 comprende implementar las cinco limitaciones descritas anteriormente. Sin embargo, en otras formas de realizacion, se pueden omitir una o mas de estas cinco limitaciones, o se pueden reemplazar por una limitacion diferente que de como resultado el mismo efecto o ventaja. Ademas, en otras formas de realizacion, una o mas de las limitaciones descritas anteriormente se pueden implementar de una manera diferente a la descrita anteriormente. Ademas, en otras formas de realizacion, se pueden implementar una o mas limitaciones adicionales 20 en lugar de o ademas de una o mas de las limitaciones descritas anteriormente.
Por ejemplo, en algunas formas de realizacion, se utiliza una limitacion que permite que se implemente una capacidad de marcha atras en el vetnculo. Muchos vetnculos terrestres pueden revertir su movimiento, por ejemplo, cambiando de funcionar con una marcha de avance a funcionar con una marcha de retroceso y entonces retroceder. Una capacidad de marcha atras de este tipo suele permitir que un vetnculo cambie de rumbo en un espacio relativamente 25 pequeno en comparacion con si el vetnculo solo fuese capaz de avanzar. Por ejemplo, un vetnculo que tiene una capacidad de marcha atras puede realizar un giro de tres puntos.
Una limitacion de ejemplo que suele permitir que se implemente una capacidad de marcha atras en el vetnculo se puede expresar como:
imagen10
30 donde: PkPi es una lmea entre Pk y Pi;
a es un valor predeterminado que depende del radio de giro del vetnculo 2. p = [pi, p2, ..., pn] es un vector de decision binaria con n entradas.
Si la i-esima entrada de P (es decir, pi) es positiva, en el i-esimo punto de la ruta, el vetnculo cambia de estar en una marcha de avance a estar en una marcha de retroceso o viceversa. Si pi es cero, en el i-esimo punto de la ruta, el 35 vetnculo no cambia de estar en una marcha de avance a estar en una marcha de retroceso o viceversa (es decir, si el
vetnculo esta funcionando actualmente con una marcha de avance, el vetnculo permanece funcionando con una marcha de avance, y de manera similar, si el vetnculo esta funcionando actualmente con una marcha de retroceso, el vetnculo permanece funcionando con una marcha de retroceso); y
C es un numero que es mayor que cualquier valor posible de la parte izquierda de la Ecuacion 5. Por lo tanto, para pt 40 = 1, se garantiza que se cumpla la Ecuacion 5.
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En la ecuacion 5, el vector p, en efecto, especifica en que puntos de la ruta el vehnculo cambia de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso. Ademas, el vector p cambia la limitacion de curvatura de la ruta en cada caso en que el vehnculo cambia de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso.
En esta forma de realizacion, el proceso de optimizacion realizado por el planificador de rutas 8 comprende determinar el vector p. En otras palabras, P es una variable de la optimizacion. El valor del vector P se determina cuando se resuelve el problema de optimizacion.
Una limitacion de ejemplo adicional que suele permitir que se implemente una capacidad de marcha atras en el vehnculo se puede expresar como:
Y/e[2,...,i»-l]
|/^-^||<D_sin(y)+(l-p,)C Ecuaci6n6
donde: y es una constante angular. Esta constante angular especifica una cantidad de cambio de rumbo que puede ocurrir en un punto donde el vehfculo cambia de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso (o viceversa). Un valor de y depende de las capacidades de movimiento del vehnculo. Un valor de y puede, por ejemplo, estar determinado por el vehfculo en base a las caractensticas del vehfculo o a partir de la experimentacion. Por ejemplo, un valor de y puede estar entre 10° y 20°.
La limitacion expresada por la Ecuacion 6 asegura ventajosamente que, por una ruta en la que un vehfculo cambia de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso (o viceversa) en el punto de la ruta Pi,
el angulo entre Pi-iPi y p.p es un angulo agudo. Esto suele establecer que la ruta determinada es apropiada para un vehfculo.
En algunas formas de realizacion, se implementa una limitacion de que el vehfculo se detenga completamente (es decir, tenga velocidad cero) antes de que el vehfculo cambie de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso (o viceversa). Una limitacion de este tipo puede asegurar ventajosamente que una inversion de rumbo solo se implementa si el vehfculo disminuye la velocidad a una velocidad predeterminada o se detiene de antemano. En otras formas de realizacion, se implementa una limitacion que la velocidad del vehfculo este por debajo de un valor lfmite predefinido antes de que el vehfculo cambie de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso (o viceversa).
En algunas formas de realizacion, el proceso de optimizacion se puede realizar para determinar un perfil de velocidad para el vehfculo a medida que viaja a lo largo de la ruta. En dichas formas de realizacion, las limitaciones de velocidad del vehfculo se pueden incorporar en el problema de optimizacion de manera que se determine un perfil de velocidad apropiado para el vehfculo.
En algunas formas de realizacion, un valor de velocidad nominal para el vehfculo se puede asociar con cada punto de la ruta, y un cambio en la velocidad entre puntos de la ruta consecutivos se puede limitar mediante un lfmite de aceleracion del vehfculo. Dos velocidades consecutivas (por ejemplo, una velocidad del vehfculo entre un par de puntos de la ruta y una velocidad del vehfculo entre el siguiente par de puntos de la ruta) pueden, por ejemplo, expresarse como:
v,2 =v,2_, + 2aDmsx
donde: vi(t) es una velocidad instantanea del vehfculo en el i-esimo punto de la ruta;
a es la aceleracion del vehfculo; y
Dmax es la separacion entre dos puntos de la ruta consecutivos.
En alguna forma de realizacion, una o mas de las siguientes limitaciones de velocidad se utilizan en la realizacion del proceso de optimizacion.
Una primera limitacion de velocidad es una limitacion en el vector U = [ui, u2, ..., un], donde ui(t) = vi2(t) para los puntos de la ruta i = 1, ..., n. La primera limitacion de velocidad se puede expresar como sigue:
u < u , + 2a D
i t-l max max
- u. < u , + 2a D
i — ■ '-“max max
donde: amax es la aceleracion maxima del vehfculo.
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Una segunda limitacion de velocidad es una limitacion de que el perfil de velocidad del vetnculo sea cero o positivo. La segunda limitacion de velocidad se puede expresar como:
V; e w, > 0
Una tercera limitacion de velocidad es una limitacion de que la velocidad del vetnculo este limitada por una constante de velocidad maxima. La tercera limitacion de velocidad se puede expresar como:
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donde: vmax es la velocidad maxima del vetnculo.
Esta tercera limitacion de velocidad asegura ventajosamente que la velocidad del vetnculo sea menor que vmax para cada punto de la ruta i, donde pi = 0. Ademas, la tercera limitacion de velocidad asegura ventajosamente que la velocidad del vetnculo sea menor a un numero muy pequeno para cada punto de la ruta i donde pi es positivo. En alguna forma de realizacion, se utiliza un valor adecuado diferente en la ecuacion 7 en lugar de 0,05 tal como 0.
Una cuarta limitacion de velocidad es una limitacion de que la primera entrada de velocidad en U (es decir, u-i) este limitada por la velocidad inicial del vetnculo. La cuarta limitacion de velocidad se puede expresar como:
«1 = Vl
Una quinta limitacion de velocidad es una limitacion de que las ultimas entradas de velocidad en U (es decir, un) esten limitadas por un requisito de seguridad de que el vetnculo se detenga en el final de la ruta. La quinta limitacion de velocidad se puede expresar como:
imagen12
En otras formas de realizacion, la quinta limitacion de velocidad es una limitacion de que las ultimas entradas de velocidad en U (es decir, un) esten limitadas por un requisito de seguridad de que vetnculo tenga una velocidad por debajo de un valor lfmite predefinido al final de la ruta.
En algunas formas de realizacion, una funcion de valor F se puede modificar con un termino de velocidad pequeno. Esto suele establecer ventajosamente que la velocidad del vetnculo se mantenga alta. Este proceso se puede expresar como:
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Ecuacion 8
En alguna forma de realizacion, se utiliza un valor adecuado diferente en la ecuacion 8 en lugar de 0,001.
En algunas formas de realizacion, se utiliza una limitacion de que el vetnculo no pueda desplazarse a traves de un giro de curvatura maximo a su velocidad maxima. Dichas limitaciones se pueden utilizar ventajosamente para determinar rutas para vetnculos que tienen un radio de giro que vana con la velocidad de ese vetnculo (por ejemplo, las aeronaves).
En algunas formas de realizacion, para un vetnculo que se mueve en una ruta circular de radio R, la aceleracion lateral alat de ese vetnculo esta relacionada con la velocidad v de ese vetnculo como sigue:
De manera equivalente, para un vetnculo que se mueve en una ruta de curvatura k, la aceleracion lateral aa de ese vetnculo esta relacionada con la velocidad v de ese vetnculo como sigue:
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En algunas formas de realizacion, se utiliza una sexta limitacion de velocidad. La sexta limitacion de velocidad se puede expresar como:
< tyalmax
K
donde un alatmax es la aceleracion lateral maxima del vetnculo.
En algunas formas de realizacion, para un triangulo formado por tres puntos de la ruta consecutivos Pm, Pi y Pi+1, la altitud del triangulo hi se puede definir como la distancia desde la lmea de PmPm al punto Pi, es decir,
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Ademas, la curvatura de una ruta en el i-esimo punto de la ruta Ki se puede relacionar con la maxima separacion de puntos del plan, Dmax y hi por:
imagen16
Por lo tanto, en algunas formas de realizacion, se utiliza una septima limitacion de velocidad. La septima limitacion de velocidad se puede expresar como:
V7 e [2
.. < max ^max Ecuacion 9
La septima limitacion de velocidad segun se expresa en la ecuacion 9 no es lineal. Para implementar la septima limitacion de velocidad, se puede utilizar una variable de decision binaria.
Esta variable de decision binaria puede ser una matriz de decision binaria B. En algunas formas de realizacion hay n puntos a lo largo de la ruta. Ademas, la Ecuacion 9 se puede aproximar con limitaciones lineales ns. En dichas formas de realizacion, la matriz B puede ser una matriz binaria n x ns. En algunas formas de realizacion, un elemento by en B que es igual a 1 puede indicar que laj-esima limitacion se ignora en el i-esimo punto de la ruta Pi.
La i-esima limitacion lineal se puede caracterizar mediante su pendiente mi y la interseccion del eye y y\. Por lo tanto, la septima limitacion de velocidad (Ecuacion 9) se puede aproximar como:
u, ^ mjh,+yj + CbIJ
ns
k-1
donde C es un numero grande, es decir, cualquier numero que sea lo suficientemente grande cuando biy es positivo, la ecuacion ui < myhi + yy + Cbiy se cumple.
Una ventaja proporcionada por los procesos de planificacion de rutas descritos anteriormente planificar las rutas para un vetnculo que tiene un radio de giro mmimo y el vetnculo se puede controlar con el fin de seguir esa ruta. En otras palabras, las limitaciones descritas anteriormente aplicadas al planificador de rutas suelen establecer ventajosamente que la trayectoria determinada sea capaz de ser seguida por un vetnculo (por ejemplo, un vehfculo terrestre de ruedas) que tiene un lfmite de curvatura.
Una ventaja adicional proporcionada por los metodos descritos anteriormente es que el rendimiento del planificador de rutas y/o el vehfculo, en particular cuando el vehfculo se desplaza a velocidades relativamente bajas, suele ser mejorado en comparacion con un enfoque convencional. El rendimiento se puede, por ejemplo, medir como el error entre los radios de giro en la ruta lineal optima y el radio de giro del vehfculo.
para asegurar que es que se pueden
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Una ventaja adicional proporcionada por el proceso de planificacion de rutas descrito anteriormente es que se pueden tomar en cuenta las limitaciones dinamicas del vetnculo no lineales. En particular, se pueden tomar en cuenta las limitaciones dinamicas no lineales para utilizar un proceso de planificacion de rutas basado en programacion lineal.
Las tecnicas convencionales de programacion lineal entera mixta (MILP) suelen ser utilizables solo para velocidades individuales. Ademas, las tecnicas MILP convencionales suelen fallar si la solucion optima contiene velocidades del vetnculo cercanas a cero. Los metodos descritos anteriormente suelen superar ventajosamente estos problemas.
En el metodo descrito anteriormente, el problema de planificacion de rutas se formula ventajosamente como un problema espacial unicamente, es decir, una ruta resultante solo contiene posiciones del vetnculo en oposicion a la inclusion de velocidades del vetnculo nominales. Por lo tanto, la ruta resultante se puede ejecutar a una velocidad del vetnculo arbitraria. Por lo tanto, los modos de fallo del metodo descrito anteriormente suelen ser independientes de una velocidad del vetnculo.
Se proporciona ventajosamente un metodo para realizar la planificacion de rutas para los vetnculos no holonomicos utilizando programacion lineal entera mixta (MILP). El metodo separa ventajosamente una ruta espacial para el vetnculo y un perfil de velocidad del vetnculo.
Ventajosamente, utilizando algunas de las limitaciones descritas anteriormente, se pueden producir las rutas que implican una inversion del rumbo del vetnculo (por ejemplo, el vetnculo cambia de moverse en una direccion de avance a moverse en una direccion de retroceso o viceversa) para el vetnculo capaz de realizar dicta inversion de rumbo.
El aparato, que incluye el planificador de rutas, para implementar la disposicion anterior y realizar cualesquiera de las etapas del metodo descritas anteriormente, se puede proporcionar mediante la configuracion o adaptacion de cualquier aparato adecuado, por ejemplo, uno o mas ordenadores u otros procesadores o aparatos de procesamiento y/o proporcionando modulos adicionales. El aparato puede comprender un ordenador, una red de ordenadores o uno o mas procesadores, para la implementacion de las instrucciones y el uso de los datos, incluyendo instrucciones y datos en la forma de un programa de ordenador o varios programas de ordenador almacenados en o sobre un medio de almacenamiento legible por maquina tales como la memoria de ordenador, un disco de ordenador, ROM, PROM, etc., o cualquier combinacion de estos u otros medios de almacenamiento.
Se debe senalar que determinadas de las etapas del proceso representadas en el diagrama de flujo de la Figura 2 y descritas anteriormente se pueden omitir o dictias etapas del proceso se pueden realizar en un orden diferente al presentado anteriormente y mostrado en la Figura 2. Ademas, aunque todas las etapas del proceso, por conveniencia y facilidad de comprension, tan sido representadas como etapas secuenciales en el tiempo independientes, sin embargo, algunas de las etapas del proceso se pueden de tiectio realizar simultaneamente o al menos solaparse en cierta medida en el tiempo.
En algunas formas de realizacion, los diferentes conjuntos de limitaciones se pueden implementar con un planificador de rutas de forma simultanea o en serie. Como se implementan las limitaciones, es decir, en que orden y con que parte de la ruta del vetnculo, se selecciona ventajosamente dependiendo de la aplicacion. Por ejemplo, en algunas formas de realizacion dos conjuntos de limitaciones se pueden aplicar en diferentes momentos, por ejemplo, un conjunto de limitaciones se puede utilizar para una primera parte de la ruta y un conjunto diferente de limitaciones se puede utilizar en una segunda parte de la ruta.
En las formas de realizacion anteriores, el vetnculo es un vetnculo terrestre, por ejemplo, un vetnculo comprende ruedas y/o orugas. Sin embargo, en otras formas de realizacion, el vetnculo puede ser un tipo diferente de vetnculo, por ejemplo, una aeronave o vetnculo anfibio. Ademas, el vetnculo puede ser un vetnculo tripulado o no tripulado.
En las formas de realizacion anteriores, el planificador de rutas de acceso y el controlador de vetnculos se situan remotamente del vetnculo, en una estacion de tierra. Sin embargo, en otras formas de realizacion, uno o ambos del planificador de rutas y el controlador de vetnculos se encuentran en una ubicacion diferente. Por ejemplo, en algunas formas de realizacion, uno o ambos del planificador de rutas y el controlador de vetnculos se situan a bordo del vetnculo.
En la forma de realizacion anterior, el proceso de planificacion de rutas y control del vetnculo se implementan para determinar una ruta y un control para un solo vetnculo. Sin embargo, en otras formas de realizacion, el proceso de planificacion de rutas y el control del vetnculo se implementan para determinar una ruta y un control para varios vetnculos.
En las formas de realizacion anteriores, las limitaciones que se implementan con el planificador de rutas se expresan con las ecuaciones pertinentes descritas anteriormente. En otras formas de realizacion, una o mas de las limitaciones se pueden implementar utilizando una ecuacion apropiada diferente con el fin de proporcionar un efecto de limitacion equivalente en el planificador de rutas y/o proporcionar la funcionalidad equivalente a la descrita anteriormente.
En las formas de realizacion anteriores, el proceso de planificacion de rutas se implementa para determinar una ruta de 2 dimensiones. Sin embargo, en otras formas de realizacion, el proceso de planificacion de rutas se implementa para determinar un tipo diferente de ruta, por ejemplo, una ruta de 3 dimensiones.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para determinar una ruta (4) para un vetnculo (2), comprendiendo el metodo: proporcionar una posicion de partida para el vetnculo (2);
    proporcionar una posicion final deseada para el vetnculo (2); y
    utilizar la posicion de partida proporcionada y la posicion final deseada, realizando, mediante uno o mas procesadores (8), un proceso de optimizacion para determinar una posicion para cada punto de la ruta de acceso en una secuencia ordenada de puntos de la ruta (Pi - Pn), proporcionando de este modo la ruta (4) para el vetnculo (2) definida por la secuencia ordenada de puntos de la ruta (Pi - Pn), en donde
    realizar el proceso de optimizacion comprende:
    para cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta (Pi) en la secuencia ordenada (Pi - Pn) ni el ultimo punto de la ruta ( Pn) en la secuencia ordenada (Pi - Pn), limitar un angulo entre una lmea que conecta ese punto de la ruta al punto de la ruta que precede a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) y una lmea que conecta ese punto de la ruta al siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) para ser mayor o igual que un angulo predefinido, caracterizado por
    minimizar una distancia entre la posicion final deseada para el vetnculo (2) y un ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia ordenada de puntos de la ruta (Pi - Pn), y
    para cada punto de la ruta que no sea un ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia de los puntos de la ruta (Pi - Pn), limitar una distancia entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) para ser igual a una distancia predefinida.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion i, en donde el metodo ademas comprende controlar, mediante un controlador de vetnculos (i0) acoplado operativamente al uno o mas procesadores (8), el vetnculo (2) de tal manera que el vetnculo (2) siga la ruta determinada (4).
  3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion i o 2, realizar la optimizacion del proceso comprende:
    para cada punto de la ruta, proyectar un vector entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) en cada uno de varios vectores base (i4), proporcionando de ese modo varias proyecciones; y
    para cada punto de la ruta, limitar las varias proyecciones para que ese punto de la ruta sea menor o igual que la distancia predefinida.
  4. 4. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones i a 3, en donde realizar el proceso de optimizacion comprende:
    para cada punto de la ruta, proyectar un vector entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) en cada uno de los varios vectores base (i4), proporcionando de ese modo varias proyecciones; y
    para cada punto de la ruta, limitar una de las proyecciones para que ese punto de la ruta sea mayor o igual que alguna parte de la distancia predefinida.
  5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones i a 4, en donde realizar el proceso de optimizacion comprende, para cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta (Pi) en la secuencia ordenada (Pi - Pn) ni el ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia ordenada (Pi - Pn), limitar una distancia entre ese punto de la ruta y una lmea que conecta el punto de la ruta que precede a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) al punto de la ruta que sigue a ese punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) para ser menor o igual que una distancia predefinida adicional.
  6. 6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en donde la distancia predefinida adicional es alguna funcion de un angulo, siendo el angulo dependiente de un radio de giro mmimo del vetnculo (2).
  7. 7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5 o 6, en donde la distancia predefinida adicional es alguna funcion de la distancia predefinida.
  8. 8. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones i a 7, en donde realizar el proceso de optimizacion comprende limitar una posicion del segundo punto de la ruta en la secuencia ordenada (Pi - Pn) para ser dependiente de una posicion del primer punto de la ruta (Pi) en la secuencia ordenada y un vector que senale, en esencia, a la misma direccion que una velocidad inicial del vetnculo (2).
  9. 9. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones i a 8, en donde el vetnculo (2) puede funcionar con el fin de cambiar entre funcionar con una marctia de avance y funcionar con una marctia de retroceso; y el proceso de optimizacion comprende ademas determinar un perfil de cambio para el vetnculo (2), especificando el perfil de cambio,
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    para cada punto de la ruta, si el vehmulo (2) cambia o no entre funcionar con la marcha de avance y funcionar con la marcha de retroceso.
  10. 10. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el proceso de optimizacion comprende ademas determinar un perfil de velocidad para el vehmulo (2), especificando el perfil de velocidad una velocidad para el vehmulo (2) en cada punto de la ruta en la secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn).
  11. 11. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 10, en donde realizar el proceso de optimizacion comprende limitar una velocidad del vehmulo (2) en el ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia ordenada (P1 - Pn) para que sea menor o igual que una velocidad lfmite predefinida.
  12. 12. Aparato para determinar una ruta (4) para un vehmulo (2), comprendiendo el aparato:
    uno o mas procesadores (8) configurados para, utilizando una posicion de partida para el vehmulo (2) y una posicion final deseada para el vehmulo (2), realizar un proceso de optimizacion para determinar una posicion para cada punto de la ruta en una secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn), definiendo la secuencia ordenada de puntos de la ruta (P1 - Pn) la ruta (4) para el vehmulo (2); en donde
    realizar el proceso de optimizacion comprende:
    para cada punto de la ruta que no sea el primer punto de la ruta (P1) en la secuencia ordenada (P1 - Pn) ni el ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia ordenada (P1 - Pn), limitar un angulo entre una lmea que conecta ese punto de la ruta al punto de la ruta que precede ese punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) y una lmea que conecta ese punto de la ruta de acceso al siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) para que sea mayor o igual que un angulo predefinido, caracterizado por
    minimizar la distancia entre la posicion final deseada para el vehmulo (2) y un ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia de los puntos de la ruta (P1 - Pn), y
    para cada punto de la ruta que no sea un ultimo punto de la ruta (Pn) en la secuencia de los puntos de la ruta (P1 - Pn), limitar una distancia entre ese punto de la ruta y el siguiente punto de la ruta en la secuencia ordenada (P1 - Pn) para ser igual a una distancia predefinida.
  13. 13. Aparato de acuerdo con la reivindicacion 12, en donde el aparato comprende ademas un controlador de vehmulos (10) acoplado operativamente al uno o mas procesadores (8) y configurado para controlar el vehmulo (2) de tal manera que el vehmulo (2) siga la ruta determinada (4).
  14. 14. Un programa o varios programas dispuestos de tal manera que cuando son ejecutados por un sistema de ordenador o uno o mas procesadores provoca(n) que el sistema de ordenador o el uno o mas procesadores funcionen de acuerdo con el metodo de cualesquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
  15. 15. Un medio de almacenamiento legible por maquina que almacena un programa o al menos uno de varios programas de acuerdo con la reivindicacion 14.
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