IT202100007709A1 - Dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili e metodo di realizzazione di tale dispositivo - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
?DISPOSITIVO DI NAVIGAZIONE AUTONOMA PER ROBOT MOBILI E
METODO DI REALIZZAZIONE DI TALE DISPOSITIVO?
Il presente trovato si riferisce ad un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili e ad un metodo di realizzazione di un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili.
Nel recente passato, sono stati effettuati numerosi tentativi per realizzare dispositivi di navigazione autonoma di veicoli, soprattutto terrestri.
Allo stato attuale della tecnica, ? noto il veicolo descritto nella domanda di brevetto US 2015/301532 (A1) che descrive un mezzo autonomo al quale si possono collegare vari accessori utilizzando interfacce standard.
La problematica di tale veicolo ? di non presentare una soluzione realizzativa valida per varie e diverse tipologie di robot, senza la possibilit? di poter essere collegato ad un qualsiasi flusso di dati.
Un altro documento anteriore, US 2018/336425 (A1) descrive un sistema di navigazione che permette ad un veicolo di evitare eventuali ostacoli sul suo cammino. Tali ostacoli sono rilevati con l?ausilio di telecamere, laser, sensori, ecc..
Tuttavia, questo dispositivo si limita semplicemente a riconoscere e schivare gli ostacoli, senza per? pianificare un percorso ?intelligente? che tenga conto di altri fattori (economia dei tempi, consumo energetico), calcolato sulla base del modello cinematico del robot e che risulta quello ottimale da seguire.
Il compito che si propone il trovato ? di eliminare gli inconvenienti sopra lamentati in tipi noti di dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili che consenta di pianificare in maniera ottimale un percorso prefissato.
Nell'ambito del compito suddetto, uno scopo che si propone il trovato ? di realizzare un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, che possa muoversi in ambienti fissi o in presenza di ostacoli mobili, interfacciandosi con qualsiasi veicolo, anche esistente.
Un altro scopo che si propone il trovato ? di permettere al dispositivo di apprendere in modo autonomo i percorsi migliori di quelli scelti dall?operatore.
Questo compito, nonch? questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, secondo il trovato, che comprende le caratteristiche tecniche esposte in una o pi? delle unite rivendicazioni.
Le rivendicazioni dipendenti corrispondono a possibili differenti forme di realizzazione dell'invenzione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva del dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, illustrato a titolo indicativo e non limitativo con l'ausilio degli uniti disegni in cui:
la figura 1 rappresenta un diagramma a flussi del funzionamento del dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili;
Con riferimento alle citate figure, in un primo aspetto della presente invenzione ? mostrata una forma di realizzazione preferita di un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, secondo il trovato, che ? atto ad essere connesso ad un veicolo e che comprende, su un?intelaiatura portante, una unit? di elaborazione dati interconnessa a mezzi sensori di navigazione e a mezzi sensori di bordo. Tale unit? di elaborazione dati ? di azionamento e comando per il veicolo mediante mezzi attuatori e mezzi motori. Inoltre, il dispositivo presenta mezzi di pianificazione del percorso da seguire per il veicolo, in base ad una mappa dell?area di lavoro predefinita. Questi mezzi di pianificazione del percorso da seguire sono atti a calcolare il percorso ottimale da seguire sulla base del modello cinematico del robot, di per s? noto, e su una politica di ottimizzazione prestabilita da un input di alto livello, quale ad esempio un operatore, un utente o un gestore missione che preferibilmente fornisce le informazioni necessarie al calcolo del percorso di riferimento.
In pratica, sulla base della missione fornita e della mappa dell'area di lavoro, i mezzi di pianificazione creano il percorso ottimale da seguire calcolato sulla base della tipologia del robot e di una politica di ottimizzazione (tempo minimo, consumo energetico, ecc.) decisa a priori. L?unit? elaborazione dati, ad esempio un calcolatore elettronico di bordo, esegue il sistema operativo del robot, coordina e gestisce tutti i servizi di bordo. Vantaggiosamente, l?unit? di elaborazione dati comprende mezzi di raccolta di informazioni generiche relativi allo stato del robot e mezzi di coordinamento e di gestione dei servizi di bordo mediante un programma per calcolatore.
Il programma per calcolatore consente al dispositivo di riconoscere e mappare l'area in cui si muove, di muoversi autonomamente da punto a punto o seguendo percorsi predefiniti, o di scegliere autonomamente il percorso migliore da seguire in base ad una scelta dell'utente, ad esempio privilegiando un minore tempo di percorrenza, o un minor consumo energetico, o coprendo vaste aree nel caso di applicazioni di sorveglianza. Specificamente, essa ? configurata sulla base delle esigenze dell?utilizzatore per raccogliere dati generici relativi allo stato del robot (riserva energetica di bordo, distanza percorsa, tempo di missione, stato del robot, anomalie).
Preferibilmente, tali informazioni generiche comprendono dati specifici relativi alla qualit? dell?aria in applicazioni di monitoraggio ambientale e/o alla presenza di intrusi in applicazioni di sorveglianza.
Vantaggiosamente, mezzi di collegamento provvedono a connettere il robot al veicolo mediante un canale di comunicazione atto a permettere a periferiche e componenti di un sistema elettronico di interfacciarsi tra loro scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione e la ricezione di segnali, ad esempio, tramite bus tradizionali che viaggiano su CAN, Ethernet o protocolli Seriali.
Vantaggiosamente, i mezzi di collegamento sono atti a scambiare informazioni o dati di sistema con l?esterno, in maniera da consentire aggiornamenti del sistema da remoto, senza l?intervento di un operatore. Inoltre, in caso di malfunzionamento, un operatore viene avvisato automaticamente e pu? intervenire da remoto per effettuare ulteriori controlli e determinare se ? necessario un intervento in situ o e sufficiente un intervento da remoto.
Vantaggiosamente, i mezzi sensori di navigazione e i mezzi sensori di bordo sono raccolti in una unit? centrale di processo per tutti i sensori, in modo da generare una rappresentazione dell?ambiente complessa.
In altre parole, l?unit? centrale di processo per tutti i sensori colleziona i dati di tutti i sensori e genera una rappresentazione dell'ambiente arricchita delle informazioni fornite dai singoli sensori.
Mediante mezzi di ricostruzione dello spostamento del veicolo che basano il loro funzionamento su questa rappresentazione dell?ambiente complessa, il dispositivo d? una stima del suo stato.
Questo significa che sulla base della rappresentazione totale dell'ambiente data dai sensori e sulla base dello stato precedente, il dispositivo ricostruisce lo spostamento del veicolo, che viene poi passato a mezzi di stima della posizione della posizione del veicolo sulla mappa dell?area di lavoro predefinita.
Questi ultimi, vantaggiosamente, in base alla ricostruzione dello spostamento del veicolo, valutano la posizione del robot su tale mappa per mezzo di algoritmi probabilistici applicati allo spostamento stimato del robot e alla sua posizione di partenza.
Vantaggiosamente, sono previsti mezzi di riconoscimento degli ostacoli interconnessi all?unit? centrale di processo per tutti i sensori. Tali mezzi di riconoscimento, ricevute le informazioni dalla unit? centrale di processo per tutti i sensori, riconoscono gli eventuali ostacoli sul percorso. In questo modo, il veicolo pu? muoversi in ambienti fissi o in presenza di ostacoli mobili, siano essi altri robot, macchinari, pedoni.
Inoltre, tali mezzi di riconoscimento degli ostacoli sono preferibilmente atti a classificare gli ostacoli stessi.
Il dispositivo comprende inoltre mezzi di controllo cinematico interconnessi sia ai mezzi di pianificazione del percorso da seguire, sia ai mezzi di stima della posizione e sia ai mezzi di riconoscimento degli ostacoli.
In buona sostanza, sulla base della stima della posizione, del percorso da seguire e degli ostacoli individuati, il dispositivo elabora l'azione desiderata a livello dei singoli motori e genera i riferimenti per gli attuatori.
La scelta dei sensori dipende dal singolo caso applicativo, dalle caratteristiche della macchina e dalle funzionalit? richieste.
? vantaggiosamente previsto un minimo numero di sensori necessario per garantire le funzionalit? minime del sistema; questo pu? essere rimpiazzato, in tutto o in parte, in base alle esigenze del cliente perla specifica applicazione.
Tale numero minimo di sensori comprende un encoder per rilevazione movimento motori e un laser di sicurezza e posizionamento.
Per garantire la capacit? di riconoscimento ostacoli tridimensionali (3D), come ad esempio delle persone, ? preferibilmente necessaria un sensore ottico quale una telecamera 3D.
La telecamera 3D ? preferibilmente integrata nel dispositivo cos? da garantire prestazioni pi? elevate del sistema.
Con tale sensore ottico ? possibile non solo evitare gli ostacoli, ma anche categorizzarli e prendere decisioni dedicate rispetto alla tipologia di ostacolo rilevato (persona, altro veicolo...).
La precisione della stima della posizione ? vantaggiosamente migliorata con l?ausilio di una unit? inerziale.
I sensori devono venire posizionati sul veicolo in base a politiche ben definite.
Nella soluzione realizzativa preferita, l?encoder ? vantaggiosamente posizionato sull'asse motore o riduttore del veicolo in maniera da evitare ulteriori rapporti di riduzione e ulteriori componenti moventi soggetti a usura. In tale configurazione, l?unit? inerziale ? preferibilmente posta al centro dell'asse di moto cos? da consentire una pi? accurata ricostruzione del movimento, facendo coincidere l?asse di rotazione del veicolo con il sistema di riferimento del sensore inerziale. Inoltre, il laser ? necessariamente collocato ad un?altezza definita dallo standard internazionale se usato per motivi di sicurezza.
In una variante realizzativa, ? prevista una serie di laser vantaggiosamente piazzati ad un?altezza definita, in modo che la scansione sia parallela al terreno e sui diversi al robot per raggiungere un angolo di visione di 360?, che migliora la precisione della navigazione. Preferibilmente, la telecamera 3D ? posta frontalmente, per individuare gli ostacoli sul cammino del robot.
Un esempio esecutivo prevede l?impiego di pi? telecamere, montate opportunamente sui diversi del robot, per permettere una visione su pi? lati, cos? da avere un'informazione di tutto l'ambiente circostante.
Un altro aspetto del trovato riguarda il metodo di realizzazione di un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili comprende le seguenti fasi.
Innanzitutto, si collega il robot al veicolo mediante un canale di comunicazione che serve a permettere a periferiche e componenti del sistema elettronico di interfacciarsi tra loro, scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione e la ricezione di segnali.
Preferibilmente, il canale di comunicazione permette di scambiare informazioni o dati di sistema con l?esterno, mediante una connessione remota.
Viene quindi caricata una mappa dell?area di lavoro predefinita su una unit? di elaborazione dati, ad esempio un calcolatore elettronico che ? anche di azionamento e di comando per il veicolo sul quale esso ? montato. Il calcolatore ? interconnesso a mezzi sensori di navigazione e a mezzi sensori di bordo, in maniera da pianificare un percorso da seguire per il veicolo in base alla suddetta mappa dell?area di lavoro; vantaggiosamente, tale pianificazione ? eseguita calcolando il percorso ottimale da seguire sulla base del modello cinematico del robot e su una politica di ottimizzazione prestabilita.
Con riferimento alla figura 1, il metodo prevede di raccogliere informazioni generiche relative allo stato del robot e di coordinare e gestire i servizi di bordo.
I mezzi sensori di navigazione e i mezzi sensori di bordo sono collezionati in una unit? centrale di processo per tutti i sensori, in modo da generare una rappresentazione dell?ambiente complessa. Tali sensori, di navigazione e di bordo, sono anche atti ad essere interconnessi dall?calcolatore elettronico.
Si ricostruisce quindi lo spostamento del veicolo mediante la rappresentazione dell?ambiente complessa e viene stimata la posizione del veicolo sulla mappa dell?area di lavoro predefinita, in base alla ricostruzione dello spostamento del veicolo.
Le informazioni collezionate dall?unit? centrale di processo per tutti i sensori permettono di riconoscere gli ostacoli. Inoltre, gli stessi ostacoli sono preferibilmente classificati dall?unit? centrale summenzionata.
Infine, il dispositivo esegue un controllo cinematico del veicolo sulla base della pianificazione del percorso da seguire, della stima della posizione e del riconoscimento degli ostacoli.
Successivamente, il calcolatore elettronico comanda i mezzi attuatori per movimentare di conseguenza il veicolo.
Da quanto sopra descritto si vede quindi come il trovato raggiunga il compito e gli scopi proposti ed in particolare si sottolinea il fatto che viene realizzato un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, che si interfaccia con qualsiasi veicolo.
In particolare, la modalit? di funzionamento del dispositivo rende il sistema versatile e adatto ad operare su veicoli di trasporto merci o robot di servizio, nonch? pronto per pu? essere facilmente installato su veicoli esistenti o integrato in veicoli di nuova progettazione.
Un altro vantaggio del dispositivo siffatto ? dato da fatto che, grazie alla versatilit? della parte software, l'hardware, ovvero i mezzi sensori e attuatori, sono maggiormente adattabili alle singole condizioni di lavoro, permettendone un impiego flessibile, nell'industria come negli ambienti pubblici, in presenza di persone o altri veicoli mobili.
Inoltre, grazie a tale versatilit?, il dispositivo pu? essere montato su veicoli terrestri qualsiasi, siano essi gommati, cingolati, o su rotaia e pu? operare su qualsiasi ambiente, all?aperto o al chiuso, su terreni pavimentati o accidentati e fuori strada.
Un altro vantaggio del trovato ? di consentire una configurazione cos? detta ?plug and play?, con l'installazione e la messa in servizio che richiedono un giorno lavorativo, al contrario dello standard di mercato che ? nell'ordine delle 100-300 ore.
Un altro vantaggio della presente invenzione ? dato dall?impiego di innovativi algoritmi di calcolo dei percorsi online che permettono di ridurre le operazioni manuale da effettuare in fase di installazione.
In particolare, dato che il sistema ? in grado di sperimentare e apprendere autonomamente percorsi migliori di quelli scelti dall'operatore, sfruttando algoritmi proprietari di insegnamento basati sui dati ricavati nell?area di lavoro, esso pu? autonomamente implementarsi.
Non di meno, gli algoritmi innovativi di evitamento ostacoli, in grado di aggirare ostacoli fissi e mobili in sicurezza, permettono al responsabile del veicolo di decidere le regole di traffico alle quali deve sottostare il mezzo, ad esempio decidere quali in quali zone non pu? andare il veicolo (?off limits?), quali zone devono essere percorse a bassa o alta velocit?, quelle zone in cui ? necessario mettersi in coda ad altri mezzi. Tale configurazione pu? variare nel tempo, ad esempio per fascia oraria, o giorno della settimana.
Inoltre, il sistema pu? operare in condizioni estreme, anche se bagnato o in presenza di polveri, il che lo rende particolarmente adatto nell'industria pesante.
Un altro vantaggio del sistema test? descritto ? di ottenere la mappatura dell'ambiente di lavoro a partire da planimetrie esistenti e la mappatura dell'ambiente di lavoro con acquisizioni mirate di aree di lavoro, senza la necessit? di mostrare percorsi da far rieseguire alla macchina.
Non ultimo, il sistema, una volta messo in servizio, non richiede l'intervento dell'operatore a meno di malfunzionamenti: i processi software a bordo macchina vengono costantemente monitorati grazie alla connessione da remoto ed eventuali malfunzionamenti vengono segnalati agli operatori remoti, mentre la macchina viene messa in condizione di continuare a funzionare
Il trovato cos? concepito ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.
Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali impiegati, nonch? le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze, purch? coerenti con lo scopo realizzativo.
Claims (13)
1) Un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili, atto ad essere connesso ad un veicolo, comprendente, su un?intelaiatura portante: una unit? di elaborazione dati interconnessa a mezzi sensori di navigazione e a mezzi sensori di bordo;
detta unit? di elaborazione dati essendo di azionamento e comando per il veicolo mediante mezzi attuatori e mezzi motori;
mezzi di pianificazione del percorso da seguire per il veicolo, in base ad una mappa dell?area di lavoro predefinita, detti mezzi di pianificazione del percorso da seguire essendo atti a calcolare il percorso ottimale da seguire sulla base del modello cinematico del robot e su una politica di ottimizzazione prestabilita.
2) Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui detta unit? di elaborazione dati comprende mezzi di raccolta di informazioni generiche relativi allo stato del robot e mezzi di coordinamento e di gestione dei servizi di bordo mediante un programma per calcolatore.
3) Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui dette informazioni generiche comprendono dati specifici relativi alla qualit? dell?aria in applicazioni di monitoraggio ambientale e/o alla presenza di intrusi in applicazioni di sorveglianza.
4) Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi sensori di navigazione e mezzi sensori di bordo sono raccolti in una unit? centrale di processo per tutti i sensori, in modo da generare una rappresentazione dell?ambiente complessa.
5) Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, comprendente mezzi di ricostruzione dello spostamento del veicolo mediante detta rappresentazione dell?ambiente complessa.
6) Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, comprendente mezzi di stima della posizione del veicolo su detta mappa dell?area di lavoro predefinita, in base a detta ricostruzione dello spostamento del veicolo.
7) Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni 4-6, comprendente mezzi di riconoscimento degli ostacoli interconnessi a detta unit? centrale di processo per tutti i sensori, detti mezzi di riconoscimento degli ostacoli essendo preferibilmente atti a classificare gli ostacoli stessi.
8) Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di controllo cinematico connessi a detti mezzi motori e a detti mezzi attuatori interconnessi a detti mezzi di pianificazione del percorso da seguire, a detti mezzi di stima della posizione e a detti mezzi di riconoscimento degli ostacoli.
9) Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di collegamento del robot al veicolo mediante un canale di comunicazione atto a permettere a periferiche e componenti di un sistema elettronico di interfacciarsi tra loro scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione e la ricezione di segnali e atto a scambiare informazioni o dati di sistema con l?esterno.
10) Dispositivo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi sensori di navigazione e/o detti mezzi sensori di bordo comprendono almeno un encoder posizionato sull'asse motore o riduttore del veicolo e almeno un laser.
11) Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi sensori di navigazione e/o detti mezzi sensori di bordo comprendono almeno una unit? inerziale preferibilmente posta al centro dell'asse di moto del veicolo.
12) Sistema di navigazione autonoma di un veicolo comprendente un robot mobile connesso al veicolo ed un dispositivo di navigazione autonoma per detto robot mobile, secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti.
13) Un metodo di realizzazione di un dispositivo di navigazione autonoma per robot mobili comprendente le fasi che consistono nel:
- collegare il robot al veicolo mediante un canale di comunicazione atto a permettere a periferiche e componenti di un sistema elettronico di interfacciarsi tra loro scambiandosi informazioni o dati di sistema attraverso la trasmissione e la ricezione di segnali e atto a scambiare informazioni o dati di sistema con l?esterno,
- caricare una mappa dell?area di lavoro predefinita su una unit? di elaborazione dati di azionamento e comando per il veicolo sul quale essa ? montata, detta unit? di elaborazione dati essendo interconnessa a mezzi sensori di navigazione e a mezzi sensori di bordo in maniera da pianificare un percorso da seguire per il veicolo in base a detta mappa dell?area di lavoro predefinita, calcolando il percorso ottimale da seguire sulla base del modello cinematico del robot e su una politica di ottimizzazione prestabilita,
- raccogliere informazioni generiche relative allo stato del robot e coordinare e gestire i servizi di bordo,
- collezionare mezzi sensori di navigazione e mezzi sensori di bordo in una unit? centrale di processo per tutti i sensori in modo da generare una rappresentazione dell?ambiente complessa, detti mezzi sensori di navigazione e detti mezzi sensori di bordo essendo atti ad essere interconnessi da detta unit? di elaborazione dati,
- ricostruire lo spostamento del veicolo mediante detta rappresentazione dell?ambiente complessa,
- stimare la posizione del veicolo su detta mappa dell?area di lavoro predefinita, in base alla ricostruzione dello spostamento del veicolo, - riconoscere e preferibilmente classificare gli ostacoli per mezzo delle informazioni collezionate in detta unit? centrale di processo per tutti i sensori,
- controllare cinematicaticamente il veicolo sulla base della pianificazione del percorso da seguire, della stima della posizione e del riconoscimento degli ostacoli.
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