IT201900010629A1 - Sistema intelligente per la navigazione autonoma - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: “ SISTEMA INTELLIGENTE PER LA NAVIGAZIONE AUTONOMA ”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema intelligente universale il cui obiettivo è rendere a guida autonoma veicoli radiocomandati, siano essi azionati da motori elettrici o endotermici, e che non impatta elettricamente sui circuiti di sicurezza già preesistenti sulla macchina. In particolare, l’invenzione propone un sistema che, interfacciandosi con il veicolo radiocomandato da controllare, permette la memorizzazione di percorsi ed azioni da effettuare durante le singole attività, riprodurle fedelmente in maniera automatica, con la capacità di reagire agli stimoli provenienti dall’esterno e che non impatti in maniera considerevole sull’esperienza utente pregressa.

In campo industriale l’uomo non sempre è in grado di operare a mani nude ma è coadiuvato da attrezzature e macchine che siano in grado di supportarlo durante lo svolgimento delle operazioni giornaliere per alleviare le fatiche, migliorare i risultati ed ottimizzare i tempi di produzione. In agricoltura, ad esempio, sono largamente impiegate macchine come trattori, quad, mezzi cingolati, mezzi gommati, che con opportuni attrezzi ad essi connessi, sono in grado di svolgere specifiche funzioni.

Esistono attualmente nel settore agricolo macchine motorizzate su gomma e non, cingolati o semicingolati, e rappresentano strumenti indispensabili per l’agricoltore moderno per coltivare la terra, spruzzare pesticidi, svolgere quindi tutta una serie di attività agricole ad egli connesse. Tali veicoli prevedono la presenza dell’operatore a bordo o in prossimità della macchina. Essi alleggeriscono il carico di lavoro manuale, ma richiedono ampi spazi di manovra e largo impiego di tempo per il loro utilizzo da parte dell’operatore.

Ad oggi esistono macchine, molto spesso cingolate, che prevedono un sistema di controllo a distanza mediante radiocomando le quali agevolano le operazioni di manovra durante le varie attività. Tali veicoli prevedono la presenza dell’operatore ad una distanza limitata e ben definita per consentire il funzionamento dei radiocomandi e tenere sotto controllo la macchina. Il superamento di detta distanza induce inevitabilmente il mezzo a non funzionare correttamente o nel caso peggiore ad interrompere le operazioni in corso. Pertanto, l’utente che controlla la macchina è vincolato a sottostare ai limiti sulla distanza durante l’esecuzione di tutte le sue mansioni.

Tali macchine sono diventate un punto fermo dell’agricoltura, ma rimangono pur sempre comandate dall’uomo e pertanto il loro utilizzo è soggetto ad errori. Gli esseri umani, infatti, sono soggetti a stanchezza e distrazione, oltre all’evidente impossibilità di svolgere contemporaneamente più operazioni. I conducenti dei macchinari agricoli devono guidare molto lentamente lungo i filari di piante e devono rimanere concentrati durante lo svolgimento di compiti per lo più ripetitivi durante l’arco della giornata; una loro distrazione può comportare incidenti e danni ai raccolti o al conducente stesso.

Infatti, la presenza di organi in movimento espone l’operatore, che sta in prossimità della macchina, a determinati rischi, tra cui l’avvolgimento del vestiario. I diversi condotti idraulici presenti possono provocare lesioni importanti alle persone in caso di scoppio o fuoriuscita del liquido in essi contenuti. L’eccesso di vibrazioni e sollecitazioni della macchina dovute al funzionamento degli organi meccanici, l’esposizione dell’operatore a polvere, fumi di scarico, pesticidi e fitofarmaci durante la fase di lavorazione, ma anche la presenza di rumori stordenti, influiscono negativamente sulla salute dell’operatore. Esistono fasi di lavorazione, come quella della trinciatura degli arbusti, che espongono l’operatore al pericolo di investimento da oggetti scaraventati dall’organo lavorante stesso. Ci sono, inoltre, condizioni lavorative e ambientali che influiscono notevolmente sullo svolgimento dei lavori, ad esempio la guida notturna, l’elevata pendenza del terreno, l’improvvisa presenza di ostacoli non individuati tempestivamente dall’utilizzatore, le avverse condizioni meteo. Infatti, proprio le complesse condizioni atmosferiche influiscono sulla qualità del lavoro, in maniera particolare nel caso in cui l’operatore ne sia esposto direttamente. Anche se attualmente sono in fase di sviluppo nuovi sistemi di protezione che possono salvaguardare l’integrità dell’uomo e della macchina, spesso, quanto elaborato finora non risulta abbastanza sufficiente per ottenere un grado di sicurezza adeguato nello svolgimento delle attività. Infine, non è da trascurare che, i costi relativi alla retribuzione di ogni operatore e quelli legati alla relativa assicurazione, possono incidere pesantemente dal punto di vista economico.

L’impiego di sensori di posizionamento come il GNSS (Global Navigation Satellite System), generalmente applicati sui trattori agricoli dotati di volante, permette alle macchine di muoversi in maniera autonoma all’interno di spazi di lavoro predefiniti. Con l’aggiunta di sensori preferibilmente ad ultrasuoni e di contatto è inoltre possibile reagire agli stimoli provenienti dall’esterno, come ad esempio evitare ostacoli presenti lungo un percorso e/o fermarsi tempestivamente.

Attualmente, molti sistemi automatici presenti in commercio sfruttano l’integrazione, a bordo delle macchine, di sistemi di visione per guidare il mezzo, come le telecamere 3D. Tali sistemi sono però molto costosi a causa della complessità dell’hardware di controllo e pertanto non accessibili alla maggior parte dei piccoli imprenditori. Altri sistemi, invece, impiegano le tecnologie LIDAR e/o LADAR per l’orientamento, anch’esse considerate piuttosto onerose dal punto di vista computazionale.

Altre soluzioni adottate sono i robot che lavorano sul campo in modo completamente autonomo. Essi sono personalizzabili e configurabili in base alle varie attività, ed indipendenti dall’operatore. Tali sistemi risultano anch’essi molto costosi, ma in genere richiedono soprattutto una figura professionale specializzata nell’utilizzo di software specifici per il loro impiego.

L’impiego di un robot autonomo, gestito mediante un sistema intelligente universale, rappresenterebbe la soluzione più efficace per svariati campi d’impiego. Per natura, gli esseri umani non sono così abili nel mantenere la concentrazione per lungo tempo e in condizioni alienanti, pertanto, in taluni casi, detti robot autonomi, dotati di detto sistema intelligente universale, offrono una serie di vantaggi strategici rispetto all’uomo tra cui l’instancabilità, l’operatività costante, l’incapacità di provare emozioni in situazioni di estremo pericolo, l’attenzione per i dettagli non calante nel tempo, la capacità di raggiungere luoghi di difficile accessibilità per l’uomo, ecc. Essi svolgono operazioni pericolose per gli esseri umani come spostare pesi eccessivi, mantenere livelli estremi di concentrazione, lavorare in ambienti ostili che potrebbero, a causa della loro forte pendenza, causare il ribaltamento dei mezzi stessi, lavorare in ambienti contaminati da vapori, polveri, rumore. L’impatto sulla sicurezza è notevolmente migliorato, ma anche quello su costi e guadagni, infatti i robot intelligenti consentono un accesso alle informazioni in tempo reale tale da accelerare i tempi decisionali e quindi poter intervenire immediatamente laddove vi è necessità, anche in maniera del tutto autonoma.

Attualmente in agricoltura esistono macchine automatiche native e macchine non automatiche ma radiocontrollate. Gran parte delle soluzioni esistenti adotta sistemi invasivi che controllano, mediante attuatori installati on board, direttamente le componenti meccaniche come pedali, sterzo, ecc., per automatizzare post-market macchine agricole non autonome ma comunque gestite elettronicamente.

Ad oggi, esistono in commercio per il settore agricolo alcuni sistemi intelligenti per la guida autonoma, i quali presentano vantaggi e svantaggi. Alcuni comprendono sistemi adattabili solo a veicoli già equipaggiati di sterzo e a gestione elettronica. Generalmente, detti sistemi sono impiegati in luoghi a campo aperto e sono universali, adattabili ad un gran numero di veicoli non autonomi. Ulteriore vantaggio di questi è non avere sistemi di visione a bordo per la navigazione lungo un percorso. Generalmente, detti sistemi sono dotati di sensori anticollisione. Di contro, non sono adattabili a macchine agricole radiocomandate e/o non dotate di sterzo e non sono capaci di navigare all’interno di percorsi stretti come i filari di piante.

Altri sistemi realizzati finora sono nativi autonomi, possono esser impiegati sia in campo aperto che nei filari di piante e anch’essi sono dotati di sistemi anticollisione. Di contro, sono sistemi autonomi nativi su macchine radiocomandate, non si adattano a macchine commerciali preesistenti, sono basati su sistemi di visione per la navigazione, presentano alti costi di produzione legati a bassi volumi di vendita e alti costi della progettazione della parte meccanica. Generalmente questo tipo di macchine non hanno un alto grado di versatilità non potendosi basare su piattaforme meccaniche esistenti e le cui funzionalità e durata sono ampiamente testate.

Avere un sistema di navigazione dipendente da un sistema di visione, durante le attività agricole, può essere un problema estremamente rilevante, in quanto degli oggetti possono finire di fronte a detto sistema di visione. Anche le avverse condimeteo, pioggia, nebbia, neve, possono inficiare sul corretto funzionamento di detto sistema di visione. Nello scenario in cui si effettuano operazioni di irrorazione, vento ed intemperie possono influire negativamente su detto sistema.

L’esigenza di impiegare un sistema intelligente per la navigazione autonoma di detti veicoli garantisce innegabili vantaggi all’operatore agricolo.

Compito del presente trovato è dunque quello di realizzare un sistema intelligente in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota così come sopra evidenziati attraverso lo sviluppo di nuove soluzioni.

Scopo del trovato è quindi quello di realizzare un sistema intelligente universale, meccanicamente non invasivo, che consenta di rendere autonome macchine radiocontrollate non dotate di sterzo, indipendente da sistemi di visione per la navigazione, adatto per applicazioni sia in campo aperto che lungo i filari di piante, sia per macchine con propulsione elettrica che endotermica, che non abbia costi eccessivi per gli utenti finali e che non impatti in maniera considerevole sull’esperienza utente pregressa.

La presente invenzione raggiunge lo scopo con un sistema intelligente per rendere a guida autonoma una macchina operatrice telecomandata, in particolare agricola, motorizzata su gomma e non, cingolata o semicingolata, atta a svolgere operazioni di lavoro, la quale macchina operatrice comprende un mezzo di locomozione dotato di azionamenti per eseguire dette operazioni di lavoro e una unità di controllo in grado di ricevere comandi da un telecomando e controllare il movimento e gli azionamenti della macchina. Il sistema comprende:

a. un dispositivo di rilevamento della posizione per la navigazione;

b. una unità di elaborazione centrale per la gestione della navigazione e l’esecuzione di azioni da svolgere;

c. dispositivi di rilevamento di stimoli provenienti dall’esterno;

d. un canale di comunicazione tra detto apparato di rilevamento di stimoli e detto sistema di elaborazione centrale;

e. un canale di comunicazione per il collegamento tra detta unità di elaborazione centrale e l’unità di controllo del movimento e degli azionamenti di detta macchina. L’unità di elaborazione centrale comprende uno o più processori configurati per inviare comandi di azionamento/guida all’unità di controllo in alternativa o in aggiunta ai comandi impartiti dal telecomando.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente proposto rende autonomo un veicolo a propulsione elettrica e/o idraulica e/o endotermica controllato da una o più centraline elettroniche.

Secondo un esempio esecutivo, la macchina può essere dotata di una o più centraline che includono ma non si limitano alla gestione della ricezione dei comandi impartiti dal radiocomando e/o dei motori della macchina e/o delle elettrovalvole e/o degli attuatori. Tale invenzione rende autonoma la macchina radiocontrollata attraverso l’interazione di detto sistema intelligente con ciascuna delle centraline presenti adattandosi a macchine commerciali preesistenti.

Secondo un esempio esecutivo, la presente invenzione è composta da unità di elaborazione centrale, da uno o più sensori di posizione GNSS, da un sistema di gestione del bus IN/OUT, trasduttori di stato e/o di posizione e da uno o più sensori che includono ma non si limitano a sensori di prossimità e/o di urto e/o di contatto, come bumper ad ultrasuoni, sensori tattili e/o sensori meccanici. Detti sensori rilevano la presenza di possibili ostacoli lungo un percorso e sono in comunicazione costante con un’unità di elaborazione centrale. Detta unità di elaborazione analizza i dati provenienti dai sensori e trasmette un segnale di comando ai vari attuatori che controllano la macchina agricola.

L’unità di elaborazione centrale provvede al controllo del movimento e degli azionamenti sulla base della modalità di funzionamento del veicolo (REC MODE, AUTO MODE, MANUAL MODE), degli stimoli provenienti dall’esterno e del percorso.

Detto percorso può, ad esempio, essere calcolato attraverso un calcolo dell’errore della posizione corrente di detto mezzo di locomozione in relazione al percorso desiderato di detto mezzo di locomozione mentre la posizione attuale di detto mezzo di locomozione può essere stabilita utilizzando i dati provenienti dal dispositivo di rilevamento della posizione (GNSS).

Il controllo del movimento tipicamente comprende sia il controllo sulla velocità che il controllo sulla sterzata, la torsione imposta al veicolo essendo funzione della velocità e della sterzata che dipende, a sua volta, dall’errore sulla posizione.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente proposto rappresenta un sistema universale che non impatta elettricamente sui circuiti di sicurezza già preesistenti sulla macchina, anzi ne aumenta la sicurezza.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente aumenta ulteriormente il grado di sicurezza della macchina attraverso la gestione dell’evento di arresto d’emergenza da radiocomando in situazioni di pericolo. In questa fase d’emergenza, l’unità centrale di elaborazione intercetta il segnale relativo alla pressione del pulsante di arresto d’emergenza, generato dalla centralina di controllo della macchina stessa, mettendo in stand-by la guida automatica e richiamando la relativa procedura di interrupt d’emergenza.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente aumenta ulteriormente il grado di sicurezza della macchina attraverso la gestione dell’evento di arresto d’emergenza generato dall’attivazione di uno o più sensori di prossimità e/o di urto e/o di contatto in situazioni di pericolo. In questa fase d’emergenza, l’unità centrale di elaborazione intercetta il segnale relativo all’attivazione di uno o più sensori di prossimità e/o di urto e/o di contatto, mettendo in stand-by la guida automatica e richiamando la relativa procedura di interrupt d’emergenza.

Più in generale, in caso di emergenza segnalata dal circuito di arresto, l’unità di elaborazione centrale è configurata per avviare una procedura di interrupt che comprende:

a. l’arresto dei motori del mezzo di locomozione e degli azionamenti attivi;

b. l’attesa della fine della condizione di emergenza;

c. il ripristino dei soli azionamenti attivi precedentemente allo stop d’emergenza.

Il presente trovato consente, inoltre, all’eventuale supervisore della macchina, di porsi a debita distanza dalla stessa onde evitare tutti i rischi e pericoli ivi connessi di cui sopra.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente proposto è dotato di sistema di posizionamento GNSS, strumento estremamente utile nell’agricoltura, in grado di determinare la posizione di un mezzo agricolo, con un errore nell’ordine del centimetro. Frutteti, vigne e piante disposte lungo i filari, rappresentano lo scenario ideale all’interno del quale navigare in maniera automatica e svolgere operazioni di lavoro ripetitive. Detto sistema intelligente utilizza questo sistema di posizionamento per determinare istante per istante la posizione del mezzo agricolo all’interno della corsia delimitata dalle piante, permettendo la navigazione lungo un percorso memorizzato e l’esecuzione di azioni ripetitive. La presente invenzione controlla la posizione del mezzo basandosi sulla semplice implementazione di un sistema dinamico in retroazione negativa. Una posizione desiderata viene inserita in questo modello rappresentando la posizione che la macchina autonoma deve inseguire come riferimento. Il modello calcola la differenza tra la posizione effettiva e quella desiderata e mira a minimizzare l’errore di posizione. Tale errore influisce sul controllo della velocità e della sterzata della macchina agricola, al fine di migliorare la posizione del mezzo lungo il percorso da seguire.

Secondo un esempio esecutivo il sistema intelligente prevede la gestione di attuatori dotati dei relativi trasduttori di posizione e/o di stato. Pertanto, sia sugli attuatori lineari che sugli attuatori rotativi, è prevista all’uopo l’applicazione, se non già incorporata all’interno degli attuatori stessi, di sensori addizionali di posizione.

L’utilizzo delle tecnologie LIDAR e/o LADAR non è strettamente necessario al funzionamento del presente trovato, in quanto l’impiego delle stesse implicherebbe un considerevole aumento delle capacità computazionali del sistema di elaborazione.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente prevede una programmazione lato software che si avvale di una serie di librerie e tools specifici per la progettazione di applicazioni per la robotica, rilasciati sotto una licenza open source di tipo BSD. Questa scelta fornisce un livello di “astrazione” dell’hardware dei dispositivi connessi, migliorandone notevolmente l’adattabilità anche per sistemi robotici complessi.

Secondo un esempio esecutivo, il software dell’unità di elaborazione centrale è installato su un sistema operativo GNU/Linux rilasciato con licenza GNU GPL. Detto sistema operativo viene a sua volta installato su un computer single-board caratterizzato da consumi e dimensioni contenuti. Lo scambio di informazioni tra detto computer single-board e la macchina avviene tramite un canale di comunicazione molto utilizzato anche per applicazioni industriali di tipo embedded, dove è richiesto un alto livello di immunità ai disturbi elettromagnetici. Esso include ma non si limita a CAN bus, MODBUS, PROFIBUS e PROFINET.

Il presente trovato semplifica, rispetto alle tecnologie presenti allo stato dell’arte, l’interazione uomo-macchina grazie ad un’interfaccia user-friendly. Secondo un esempio esecutivo, detta interfaccia user-friendly contiene ma non si limita a pulsantiera, led di stato e display. La pulsantiera consente all’operatore di selezionare una delle modalità di funzionamento previste dal sistema intelligente. Agendo sulla pulsantiera è possibile registrare un percorso e/o azioni da eseguire (REC MODE), selezionare un percorso e/o azioni memorizzate (AUTO MODE), arrestare eventuali operazioni avviate (MANUAL MODE), confermare le opzioni selezionate, spegnere il sistema intelligente. L’esempio esecutivo proposto prevede una pulsantiera composta da cinque pulsanti, di cui quattro direzionali utili a selezionare le varie opzioni disponibili, ed uno di conferma dell’opzione scelta. Detta interfaccia userfriendly si avvale di led per la segnalazione dello stato del sistema intelligente. Detta interfaccia user-friendly è composta da un display attraverso il quale è possibile visualizzare le opzioni a disposizione dell’utente e lo stato del sistema intelligente. L’utilizzo dell’intera interfaccia, che si compone ma non si limita a pulsantiera, led di stato e display, consente all’operatore di avere un’esperienza utente del sistema intelligente semplice ed efficace, risolvendo così i problemi di complessità di gestione del software relativi alle macchine odierne.

Secondo un esempio esecutivo, il sistema intelligente proposto rappresenta un metodo attraverso il quale è possibile controllare una macchina radiocomandata per applicazioni in campo agricolo. Le modalità di funzionamento di detto metodo prevedono tre stati fondamentali di operatività:

1. MANUAL MODE

2. REC MODE

3. AUTO MODE

La modalità MANUAL MODE prevede il controllo della macchina attraverso il radiocomando, indipendentemente dal sistema intelligente e totalmente manuale.

La modalità di funzionamento REC MODE prevede la registrazione di un percorso e/o azioni da memorizzare nel sistema intelligente, avvalendosi di sensori e attuatori presenti, con i quali detto sistema intelligente si interfaccia.

Definita la terna (Ai, xi, yi), dove Ai rappresenta lo stato e/o la posizione del trasduttore relativo all’attuatore i-esimo, mentre xi e yi sono rispettivamente latitudine e longitudine delle coordinate geografiche associate ad Ai, il metodo nella modalità REC MODE istante per istante registra la terna (Ai, xi, yi) allo scopo di poterla replicare nella modalità di guida autonoma, denominata AUTO MODE.

La modalità di funzionamento AUTO MODE prevede, infatti, l’avvio automatico della macchina lungo un percorso con azioni da eseguire, già precedentemente memorizzati durante la modalità REC MODE descritta. La presenza di sensori esterni consente inoltre, al sistema intelligente, di poter reagire agli stimoli provenienti dall’ambiente circostante, arrestando temporaneamente e tempestivamente le operazioni in esecuzione fintanto che non si verifichino le condizioni necessarie per riprendere l’esecuzione di dette operazioni.

Il metodo utilizzato da detto sistema intelligente prevede i tre stati di funzionamento. Detto metodo ha inizio con un’attesa del comando di istruzione. Fintanto che non si riceve detto comando da parte dell’operatore, il sistema intelligente rimane in attesa consentendo comunque il funzionamento in modalità manuale della macchina. Una volta ricevuto il comando, il sistema comprende se la modalità scelta di utilizzo è REC MODE o AUTO MODE.

Nella modalità di registrazione, il sistema intelligente salva sia i dati provenienti dal sistema di posizionamento, sia lo stato degli attuatori dotati di sensori, sia lo stato di attivazione o disattivazione degli attuatori non dotati di sensori, e verifica quindi, la ricezione di un segnale di “stop registrazione” da parte dell’operatore. Una volta ricevuto il segnale di stop, il sistema è pronto quindi ad attendere un nuovo comando. Viceversa, il sistema intelligente continua a registrare detti dati.

Nella modalità di guida autonoma, il sistema intelligente legge i dati memorizzati di un percorso scelto, quindi i dati relativi al sistema di posizionamento, lo stato dei sensori per movimentare gli attuatori e lo stato di attivazione o disattivazione degli attuatori non dotati di sensori, per il loro azionamento. In base a detti dati, il sistema esegue il controllo della macchina replicando i dati precedentemente registrati. Viene poi azionato il sistema di propulsione elettrico e/o idraulico e/o endotermico per la movimentazione del mezzo lungo le coordinate geografiche provenienti dai dati relativi al sistema di posizionamento e quindi vengono controllati gli attuatori. L’operatore può in qualsiasi momento, tramite radiocomando e/o pulsantiera, ad esclusione della pressione del pulsante relativo all’arresto d’emergenza, inviare al sistema intelligente un segnale di stop prematuro di “STOP AUTO”. In tal caso, il sistema intelligente, per questioni di sicurezza, disattiva tutti gli attuatori attivi, arresta il movimento della macchina ed è pronto ad attendere quindi un nuovo comando. Viceversa, il sistema intelligente verifica se la posizione raggiunta e/o l’azione eseguita è l’ultima da raggiungere e/o eseguire. In caso negativo, il sistema torna a leggere la successiva posizione da raggiungere e/o azione da eseguire. Viceversa, se detta posizione raggiunta e/o azione eseguita è l’ultima da raggiungere e/o eseguire, il sistema intelligente arresta la guida autonoma, spegne tutti gli attuatori azionati ed è ora pronto ad attendere un nuovo comando.

L’unità di elaborazione centrale è tipicamente configurata per memorizzare uno o più percorsi desiderati sulla base dei dati provenienti dal dispositivo di rilevamento della posizione e guidare in modo automatico il mezzo di locomozione replicando uno dei percorsi memorizzati.

L’unità di elaborazione centrale può essere altresì configurata per elaborare percorsi attraverso l’acquisizione di:

a. dati riguardanti ostacoli lungo un percorso; b. dati riguardanti la posizione del mezzo di locomozione;

c. dati riguardanti lo stato dei motori;

d. dati riguardanti lo stato dei sensori;

e. dati riguardanti lo stato degli attuatori.

L’unità di elaborazione centrale può essere configurata per:

a. evitare ostacoli lungo il percorso memorizzato; b. creare un percorso alternativo per aggirare ostacoli imprevisti lungo il percorso memorizzato.

Nello specifico, l’unità di elaborazione centrale può essere configurata per eseguire:

a. una fase di controllo manuale del veicolo radiocomandato lungo un percorso sulla base di input provenienti dal telecomando;

b. una fase di registrazione, in cui vengono memorizzate le informazioni del percorso, comprendenti i dati relativi alla posizione di detto veicolo, lo stato dei motori, lo stato degli attuatori e lo stato dei sensori;

c. una fase di guida automatica di detto veicolo radiocomandato lungo un percorso memorizzato.

La fase di guida automatica comprende il controllo del movimento del veicolo radiocomandato sulla base dell’analisi della posizione di detto veicolo rispetto ad una posizione desiderata, la posizione del veicolo essendo fornita dal dispositivo di rilevamento della posizione (GNSS).

La fase di guida autonoma comprende invece il controllo degli attuatori di detto veicolo radiocomandato, lo stato di detti attuatori essendo fornito tramite sensori interfacciati alla unità di elaborazione centrale.

Secondo un ulteriore aspetto l’invenzione riguarda una macchina operatrice, in particolare agricola, comprendente un mezzo di locomozione dotato di azionamenti per eseguire operazioni di lavoro e una unità di controllo in grado di ricevere comandi da un telecomando e controllare il movimento e gli azionamenti della macchina. La macchina è caratterizzata dal fatto di comprendere un sistema intelligente secondo l’invenzione interfacciato a detta unità di controllo per inviare in maniera autonoma comandi di movimento/azionamento della macchina.

Il mezzo di locomozione, ad esempio con sistema di propulsione elettrico e/o idraulico e/o endotermico, può vantaggiosamente comprendere veicoli cingolati o gommati in grado di essere pilotati anche senza informazioni provenienti da sensoristica sul mezzo.

DEFINIZIONI

AUTO MODE: modalità operativa di funzionamento del sistema intelligente nella quale detto sistema intelligente guida la macchina lungo un percorso e/o esegue azioni in maniera automatica.

Azioni: operazioni eseguite dagli attuatori.

Bumper: sensore di rilevamento della presenza di ostacoli, posizionato attorno al mezzo di locomozione.

Circuito di emergenza: circuito elettronico ausiliario che si interfaccia tra l’operatore e la macchina per garantire a detto operatore la possibilità di arrestare il funzionamento della macchina in casi di emergenza. Detto circuito non spegne il sistema intelligente proposto.

GNSS: gruppo di satelliti che trasmettono segnali ad un ricevitore il quale utilizza i dati ricevuti dal segnale per determinare la posizione, la velocità, la direzione e il tempo.

LADAR: radar ottico che impiega un fascio di luce laser nel visibile, usato, in condizioni di prossimità.

LIDAR: sensore basato sulla tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser.

MANUAL MODE: modalità operativa di funzionamento del sistema intelligente in cui la macchina è controllabile manualmente da radiocomando.

Percorso: insieme di punti geografici che il sistema intelligente memorizza, se in modalità di funzionamento REC MODE, oppure che percorre la macchina sotto il controllo del sistema intelligente, se in modalità di funzionamento AUTO MODE.

REC MODE: modalità operativa di funzionamento del sistema intelligente nella quale detto sistema intelligente registra un percorso e/o azioni in maniera automatica.

STAND-BY: condizione in cui il sistema intelligente non è operativo ma è alimentato elettricamente ed è pronto per la commutazione da stato di stop temporaneo a modalità operativa.

DESCRIZIONE BREVE DELLE FIGURE

FIG. 1 mostra uno schema a blocchi delle parti costituenti il sistema intelligente.

FIG. 2 mostra uno schema a blocchi del controllo in retroazione negativa del sistema intelligente.

FIG. 3a mostra un diagramma di flusso del funzionamento del sistema intelligente.

FIG. 3b mostra un diagramma di flusso della procedura di interrupt d’emergenza del sistema intelligente.

FIG. 4 mostra una visione d’insieme del funzionamento del sistema intelligente.

FIG. 5 mostra un diagramma di stato delle tre modalità operative del sistema intelligente.

FIG. 6a mostra una rappresentazione assonometrica di una macchina cingolata automatizzata dal sistema intelligente.

FIG. 6b mostra una rappresentazione assonometrica con vista posteriore di una macchina cingolata automatizzata dal sistema intelligente.

FIG. 7 mostra l’immagine di un radiocomando per macchine agricole controllate dal sistema intelligente.

FIG. 8 mostra l’immagine di un’interfaccia userfriendly del sistema intelligente.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FIGURE

Nella FIG. 1 si mostra la presente invenzione la quale è composta da quattro macro blocchi: un blocco relativo all’unità di elaborazione centrale 103, un blocco relativo ai sensori di posizione GNSS 101, un blocco che riguarda la gestione del bus IN/OUT 104, un blocco riguardante i trasduttori di stato e/o di posizione 102. I sensori relativi allo stato degli attuatori, inclusi nel blocco 102, possono riguardare sia i semplici trasduttori di posizione come encoder e/o trasduttori lineari, che lo stato di attivazione/disattivazione degli stessi attuatori. Nella FIG. 2 si mostra il sistema intelligente che effettua un controllo in retroazione negativa riguardante la posizione attuale 202 rispetto a quella memorizzata 201 come riferimento, così da minimizzare l’errore 203 di posizione, ottenuto come differenza tra la posizione memorizzata 201 e la posizione attuale 202. Il controllo della direzione 204 viene eseguito dall’unita centrale di elaborazione 103 che implementa il metodo di FIG. 3a, mentre la lettura della posizione 205 viene eseguita dall’unità centrale di elaborazione 103 mediante il sensore di posizionamento GNSS 101.

Nella FIG. 3a si mostra il diagramma di flusso che descrive il funzionamento del sistema intelligente. Detto diagramma ha inizio con un’attesa del comando d’istruzione 301. Fintanto che non si riceve detto comando da parte dell’operatore, il sistema intelligente rimane in attesa 309a in modalità di funzionamento manuale della macchina. Una volta ricevuto il comando 309b, il sistema comprende se la modalità scelta di utilizzo è una registrazione di un percorso e/o azioni da memorizzare 302a o un avvio automatico della macchina lungo un percorso e/o azioni da eseguire 302b precedentemente memorizzate. Nella modalità di registrazione 302a, il sistema intelligente salva 303 sia i dati provenienti dal sistema di posizionamento, sia lo stato degli attuatori dotati di trasduttori, sia lo stato di attivazione o disattivazione degli attuatori non dotati di sensori, e verifica 304 quindi, la ricezione di un segnale di “stop registrazione” da parte dell’operatore. Una volta ricevuto il segnale di stop 304a, il sistema è pronto ad attendere un nuovo comando 301. Viceversa 304b, detto sistema intelligente continua a registrare detti dati rilevati.

Nella modalità di guida autonoma 302b, il sistema intelligente legge 305 i dati memorizzati di un percorso scelto, quindi i dati relativi al sistema di posizionamento, lo stato dei trasduttori per movimentare gli attuatori e lo stato di attivazione o disattivazione degli attuatori non dotati di trasduttori, per il loro azionamento. In base a detti dati, viene quindi eseguito il controllo della macchina 306. Viene pertanto azionato il sistema di propulsione elettrico e/o idraulico e/o endotermico per la movimentazione del mezzo lungo le coordinate geografiche provenienti dai dati relativi al sistema di posizionamento e quindi vengono controllati gli attuatori. L’operatore può in qualsiasi momento, tramite radiocomando e/o pulsantiera, ad esclusione della pressione del pulsante relativo all’arresto d’emergenza, inviare 308b al sistema intelligente un segnale di stop prematuro di “STOP AUTO” 308. In tal caso, il sistema intelligente, per questioni di sicurezza, disattiva tutti gli attuatori attivi, arresta il movimento della macchina ed è pronto ad attendere quindi un nuovo comando. Viceversa 308a, il sistema intelligente verifica 307 se la posizione raggiunta e/o l’azione eseguita è l’ultima da raggiungere e/o eseguire. In caso negativo 307b, il sistema torna a leggere 305 la successiva posizione da raggiungere e/o azione da eseguire. Viceversa 307a, se detta posizione raggiunta e/o azione eseguita è l’ultima da raggiungere e/o eseguire, il sistema intelligente arresta la guida autonoma, spegne tutti gli attuatori azionati ed è ora pronto ad attendere un nuovo comando 301.

Nella FIG. 3b si mostra un diagramma di flusso relativo alla procedura di interrupt d’emergenza del sistema intelligente. Detta procedura viene avviata al verificarsi di una condizione di arresto d’emergenza. Il sistema intelligente esegue lo stop 310 di tutti gli attuatori e controlla 311 se la condizione di arresto d’emergenza persiste. Se la condizione di arresto d’emergenza non è più verificata 311a, la procedura di interrupt termina e il sistema intelligente riprende la guida autonoma ripristinando 312 i soli attuatori attivi precedentemente allo stop d’emergenza. Viceversa 311b, il sistema rimane in attesa che detta condizione di arresto d’emergenza termini.

Nella FIG. 4 si mostra una visione d’insieme relativa all’interazione tra il sistema intelligente proposto 401 e la macchina 402 sulla quale esso viene applicato, rendendone autonoma sia la navigazione che l’esecuzione delle sue funzionalità. Il sistema intelligente prevede una sua programmazione software che fornisce all’utente finale un livello di “astrazione” dell’hardware dei dispositivi connessi, migliorando notevolmente l’adattabilità su più macchine.

Nella FIG. 5 si mostra uno schema riguardante gli stati fondamentali di operatività del sistema intelligente proposto:

1. MANUAL MODE, 501

2. REC MODE, 502

3. AUTO MODE, 503

Il primo stato fondamentale di operatività di detto sistema è la modalità manuale 501. In questo stato l’operatore può manovrare la macchina attraverso il radiocomando. Da questo stato operativo il sistema intelligente può transitare verso gli stati di modalità di registrazione 502 modalitaOperativeo navigazione autonoma 503. La transizione 503b verso lo stato relativo alla modalità di navigazione autonoma 503 è possibile se esiste almeno un percorso e/o azioni già precedentemente memorizzate. Una volta terminata la fase di navigazione autonoma 503 il sistema intelligente torna 503a in modalità manuale 501. Per la memorizzazione di un percorso e/o azioni da eseguire, il sistema intelligente transita 502a dalla modalità manuale 501 a quella di registrazione 502. Terminata la fase di registrazione il sistema intelligente transita 502b dalla modalità di registrazione 502 alla modalità di funzionamento manuale 501.

Nella FIG. 6a si mostra una rappresentazione assonometrica di un esempio esecutivo composto da un cingolato 602, azionato da motori elettrici alimentati a batteria 605, radiocontrollato a distanza mediante un radiocomando FIG. 7, per applicazioni agricole, avente un gancio di traino posteriormente 603 per l’aggancio e la movimentazione di attrezzature ausiliarie, automatizzate grazie al sistema intelligente 601 di detta invenzione, dotato a bordo di pulsante di emergenza a fungo 604 per l’attivazione del relativo circuito di emergenza.

Nella FIG. 6b si mostra una rappresentazione assonometrica con vista posteriore dell’esempio esecutivo mostrato in FIG. 6a. Nella presente FIG. 6b si nota il gancio di traino 603 situato posteriormente all’esempio esecutivo in oggetto, per l’aggancio e la movimentazione di attrezzature ausiliarie, automatizzate grazie al sistema intelligente di detta invenzione, utili all’operatore agricolo per svolgere le attività ad egli connesse. Nella FIG. 7 si mostra l’immagine di un radiocomando per macchine controllate dal sistema intelligente proposto. Dalla sua forma realizzativa si può notare che detto radiocomando è dotato di pulsante di arresto di emergenza 703, associato proprio al circuito di arresto d’emergenza. Detto radiocomando è composto ma non si limita a pulsanti 704, joystick 702 e display 701 per il controllo del mezzo agricolo.

Nella FIG. 8 si mostra l’immagine di un’interfaccia user-friendly del sistema intelligente. Detta interfaccia user-friendly contiene ma non si limita a pulsantiera 801, led di stato 802 e display 803. La pulsantiera 801 consente all’operatore di selezionare una delle modalità di funzionamento previste dal sistema intelligente. Agendo sulla pulsantiera è possibile registrare un percorso e/o azioni da eseguire (REC MODE, 502), selezionare un percorso e/o azioni memorizzate (AUTO MODE 503), arrestare eventuali operazioni avviate (MANUAL MODE 501), confermare le opzioni selezionate, spegnere il sistema intelligente. L’esempio esecutivo proposto prevede una pulsantiera composta da cinque pulsanti, di cui quattro direzionali utili a selezionare le varie opzioni disponibili, ed uno di conferma dell’opzione scelta. Detta interfaccia user-friendly si avvale di led 802 per la segnalazione dello stato del sistema intelligente. Detta interfaccia userfriendly è composta da un display 803 attraverso il quale è possibile visualizzare sia le opzioni a disposizione dell’utente che lo stato del sistema intelligente.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema intelligente per rendere a guida autonoma una macchina operatrice telecomandata, in particolare agricola, atta a svolgere operazioni di lavoro, la quale macchina operatrice comprende un mezzo di locomozione dotato di azionamenti per eseguire dette operazioni di lavoro e una unità di controllo in grado di ricevere comandi da un telecomando e controllare il movimento e gli azionamenti della macchina, caratterizzato dal fatto che il sistema comprende: a. un dispositivo di rilevamento della posizione per la navigazione; b. una unità di elaborazione centrale per la gestione della navigazione e l’esecuzione di azioni da svolgere; c. dispositivi di rilevamento di stimoli provenienti dall’esterno; d. un canale di comunicazione tra detto apparato di rilevamento di stimoli e detto sistema di elaborazione centrale; e. un canale di comunicazione per il collegamento tra detta unità di elaborazione centrale e l’unità di controllo del movimento e degli azionamenti di detta macchina, in cui l’unità di elaborazione centrale comprende uno o più processori configurati per inviare comandi di azionamento/guida all’unità di controllo in alternativa o in aggiunta ai comandi impartiti dal telecomando.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui l’unità di elaborazione centrale provvede al controllo del movimento e degli azionamenti sulla base della modalità di funzionamento del veicolo (REC MODE, AUTO MODE, MANUAL MODE), degli stimoli provenienti dall’esterno e del percorso.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detto percorso viene calcolato attraverso un calcolo dell’errore della posizione corrente di detto mezzo di locomozione in relazione al percorso desiderato di detto mezzo di locomozione.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui la posizione attuale di detto mezzo di locomozione è stabilita utilizzando i dati provenienti dal dispositivo di rilevamento della posizione (GNSS).
5. 5. Sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui detto controllo del movimento comprende sia il controllo sulla velocità che il controllo sulla sterzata, la torsione imposta al veicolo essendo funzione della velocità e della sterzata.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui il controllo della velocità e della sterzata è funzione dell’errore sulla posizione.
7. 7. Sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui è presente un circuito di arresto di emergenza in comunicazione con detta unità di elaborazione centrale.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui, in caso di emergenza segnalata dal circuito di arresto, detta unità di elaborazione centrale è configurata per avviare una procedura di interrupt che comprende: a. l’arresto dei motori del mezzo di locomozione e degli azionamenti attivi; b. l’attesa della fine della condizione di emergenza; c. il ripristino dei soli azionamenti attivi precedentemente allo stop d’emergenza.
9. 9. Sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere un’interfaccia utente, la quale interfaccia utente comprende : a. una pulsantiera attraverso cui è possibile selezionare una delle modalità di funzionamento previste dal sistema intelligente (REC MODE, AUTO MODE, MANUAL MODE), arrestare le operazioni avviate, confermare le opzioni selezionate, spegnere il sistema intelligente; b. led e display per la visualizzazione dello stato e delle opzioni a disposizione del sistema intelligente.
10. 10. Sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui i dispositivi di rilevamento di stimoli provenienti dall’esterno comprendono sensori quali bumper e misuratori di distanza laterale, frontale e posteriore.
11. 11. Sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui l’unità di elaborazione centrale è configurata per memorizzare uno o più percorsi desiderati sulla base dei dati provenienti dal dispositivo di rilevamento della posizione e guidare in modo automatico il mezzo di locomozione replicando uno dei percorsi memorizzati.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui l’unità di elaborazione centrale è configurata per elaborare percorsi attraverso l’acquisizione di: a. dati riguardanti ostacoli lungo un percorso; b. dati riguardanti la posizione del mezzo di locomozione; c. dati riguardanti lo stato dei motori; d. dati riguardanti lo stato dei sensori; e. dati riguardanti lo stato degli attuatori.
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 12, in cui l’unità di elaborazione centrale è configurata per: a. evitare ostacoli lungo il percorso memorizzato; b. creare un percorso alternativo per aggirare ostacoli imprevisti lungo il percorso memorizzato.
14. 14. sistema secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui l’unità di elaborazione centrale è configurata per eseguire: a. una fase di controllo manuale del veicolo radiocomandato lungo un percorso sulla base di input provenienti dal telecomando; b. una fase di registrazione, in cui vengono memorizzate le informazioni del percorso, comprendenti i dati relativi alla posizione di detto veicolo, lo stato dei motori, lo stato degli attuatori e lo stato dei sensori; c. una fase di guida automatica di detto veicolo radiocomandato lungo un percorso memorizzato.
15. 15. Sistema secondo la rivendicazione 14, in cui detta fase di guida automatica comprende il controllo del movimento del veicolo radiocomandato sulla base dell’analisi della posizione di detto veicolo rispetto ad una posizione desiderata, la posizione del veicolo essendo fornita dal dispositivo di rilevamento della posizione (GNSS).
16. 16. Sistema secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui detta fase di guida autonoma comprende il controllo degli attuatori di detto veicolo radiocomandato, lo stato di detti attuatori essendo fornito tramite sensori interfacciati alla unità di elaborazione centrale.
17. 17. Macchina operatrice, in particolare agricola, comprendente un mezzo di locomozione dotato di azionamenti per eseguire operazioni di lavoro e una unità di controllo in grado di ricevere comandi da un telecomando e controllare il movimento e gli azionamenti della macchina, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema intelligente secondo una o più delle precedenti rivendicazioni interfacciato a detta unità di controllo per inviare in maniera autonoma comandi di movimento/azionamento della macchina.
18. 18. Macchina secondo la rivendicazione 17, in cui detto mezzo di locomozione è dotato di sistema di propulsione elettrico e/o idraulico e/o endotermico.
19. 19. Macchina secondo la rivendicazione 17 o 18, in cui detto mezzo di locomozione comprende veicoli cingolati o gommati in grado di essere pilotati anche senza informazioni provenienti da sensoristica sul mezzo.