ITRE20120055A1 - Metodo e sistema di navigazione per veicoli a guida automatica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO E SISTEMA DI NAVIGAZIONE PER VEICOLI A GUIDA AUTOMATICAâ€

La presente invenzione riguarda in generale i veicoli a guida automatica (Automatic Guided Vehicles - AGVs), come ad esempio i trasportatori e sollevatori che possono trovare impiego negli stabilimenti industriali e/o nei magazzini. Più in particolare, la presente invenzione attiene ad un metodo e ad un sistema di navigazione per questi veicoli a guida automatica, ovvero ad un metodo ed un sistema che consentono effettivamente di guidare in modo automatico questi veicoli su un pavimento, ad esempio all’interno di uno stabilimento o di un magazzino, senza la necessità di una guida manuale da parte di un operatore.

Attualmente sono noti molti sistemi di navigazione per questi veicoli a guida automatica, i quali utilizzano tecnologie che sono spesso molto diverse tra loro.

Alcuni sistemi di navigazione utilizzano ad esempio una tecnologia di localizzazione laser. Questa tecnologia prevede generalmente di montare sulle pareti dello stabilimento o del magazzino, sugli scaffali e/o sulle macchine di produzione, una serie di elementi catarifrangenti e di memorizzare la posizione di questi elementi catarifrangenti su una mappa. A bordo di ciascun veicolo sono installati un trasmettitore ed un ricevitore di raggi laser, i quali sono comunemente montati su una torretta girevole. In questo modo, i raggi laser emessi dal trasmettitore vengono riflessi dagli elementi catarifrangenti posti nello spazio circostante, e quindi captati dal ricevitore. Analizzando i parametri caratteristici dei raggi laser di ritorno, ad esempio l’angolo di provenienza, un’unità di controllo à ̈ in grado di determinare la distanza del veicolo dagli elementi catarifrangenti e quindi la posizione istantanea del veicolo sulla mappa. Conoscendo la posizione del veicolo ad ogni istante, l’unità di controllo à ̈ quindi in grado di azionare e guidare automaticamente il veicolo verso una destinazione preimpostata.

Un inconveniente di questa tecnologia consiste nell’elevato costo del sistema, dovuto all’installazione degli emettitori e dei ricevitori laser su ciascun veicolo. Un secondo inconveniente consiste nel fatto che, qualora venga modificato il layout dello stabilimento o del magazzino, à ̈ necessario ridisporre tutti gli elementi catarifrangenti in posizioni opportune e ricostruire interamente la mappa che ne indica la posizione. Un terzo inconveniente di questa tecnologia consiste nel fatto che i veicoli possono doversi muovere in spazi che sono in ombra rispetto agli elementi catarifrangenti, e/o in cui à ̈ difficile collocare un numero di elementi catarifrangenti sufficiente per consentire la localizzazione del veicolo, rendendo questo tipo di sistema di navigazione inutilizzabile.

Oltre ai sistemi a guida laser, sono noti dei sistemi che guidano i veicoli a seguire un percorso fisicamente “tracciato†sul pavimento dello stabilimento. Uno di questi sistemi di guida prevede di stendere un cavo elettrico sotto il pavimento dello stabilimento, in modo tale che questo cavo si sviluppi lungo il precorso che deve essere seguito dai veicoli. Sul fondo di ciascun veicolo à ̈ installato un sensore, il quale si affaccia al pavimento in modo da rilevare un segnale a radio frequenza che viene trasmesso attraverso il cavo elettrico annegato nel pavimento. Dalla rilevazione ed elaborazione di questo segnale, il veicolo viene azionato ad avanzare seguendo il cavo elettrico di guida.

Un altro di questi sistemi di guida prevede che il percorso dei veicoli sia definito da una banda che viene stesa sulla superficie del pavimento. Questa banda può essere una banda magnetica o semplicemente una banda colorata, ad esempio una banda verniciata o una banda adesiva. Ogni veicolo à ̈ provvisto di mezzi di rilevazione magnetica o rispettivamente di mezzi ottici per l’acquisizione di immagini, grazie ai quali una unità di controllo à ̈ in grado di “vedere†la banda e di guidare il veicolo in modo da seguirla.

Pur consentendo ai veicoli di seguire autonomamente il percorso desiderato, questi sistemi non sono tuttavia in grado di conoscere l’esatta posizione dei veicoli. Per questo motivo, lungo il percorso definito dal cavo elettrico o dalla banda magnetica o colorata, possono essere posizionati dei tags che vengono rilevati da opportuni lettori installati sul veicolo, quando il veicolo transita in corrispondenza di essi, in modo da fornire al sistema specifici segnali di guida e/o comando.

Alcuni sistemi utilizzano ad esempio dei tags a radio frequenza (Radio Frequency Identification – RFID). Ogni tag a radiofrequenza comprende generalmente un microchip in cui à ̈ memorizzato un codice identificativo e/o altre informazioni, ed una antenna adatta a comunicare con il relativo lettore installato a bordo del veicolo. Il lettore à ̈ atto ad emettere un segnale a radiofrequenza in uno spazio di rilevazione che può essere più o meno ampio a seconda della potenza del segnale emesso. Quando un tag entra nello spazio di rilevazione del lettore, il segnale emesso dal lettore attiva il microchip del tag e gli fornisce l'energia necessaria per rispondere con un segnale a radiofrequenza contenente le informazioni memorizzate nel microchip. Il segnale di risposta viene captato dal lettore che rileva quindi la presenza del tag e contemporaneamente riceve le informazioni contenute nel segnale di risposta.

Nelle applicazioni note, questi tags vengono utilizzati solo per fornire dei segnali di guida e/o comando in posizioni particolari e predefinite lungo il percorso dei veicoli, mentre la navigazione (ossia lo spostamento del veicolo da un punto all’altro del pavimento) à ̈ demandata esclusivamente al sistema che interagisce col cavo elettrico o con la banda magnetica o colorata.

Un inconveniente dei sistemi sopra delineati consiste pertanto nella estrema difficoltà nel cambiare il percorso dei veicoli sul pavimento. Può infatti accadere che, all’interno di uno stabilimento o di un magazzino, il layout delle macchine di produzione o degli scaffali debba essere modificato. In una simile eventualità, à ̈ molto probabile che anche il percorso dei veicoli a guida automatica debba essere modificato e adattato al nuovo layout. Nei sistemi a cavo elettrico o a banda colorata o magnetica, una modifica del percorso richiede lo smantellamento e la ricostruzione dell’intero pavimento o, quantomeno una sua completa riverniciatura, con conseguenti lunghi tempi di intervento e costi elevati. Un altro inconveniente consiste nel fatto che qualora si presenti un ostacolo lungo il percorso, ad esempio a causa della temporanea presenza di un carico abbandonato, il sistema non à ̈ in grado di far cambiare traiettoria al veicolo, il quale à ̈ quindi costretto ad arrestarsi.

Alla luce di quanto esposto, uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere o quantomeno ridurre i menzionati inconvenienti dei sistemi di navigazione noti.

Ulteriore scopo à ̈ quello di raggiungere il menzionato obiettivo nell’ambito di una soluzione semplice, razionale e dal costo il più possibile contenuto.

Tali ed altri scopi sono raggiunti dalle caratteristiche della invenzione riportate nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell’invenzione.

In particolare, una forma di attuazione della presente invenzione rende disponibile un metodo di navigazione per un veicolo a guida automatica, il quale comprendente le fasi di:

- distribuire una molteplicità di tags, preferibilmente tags a radio frequenza, su almeno un’area di un pavimento in cui il veicolo deve essere guidato a muoversi, e memorizzare la posizione di ciascun tag rispetto ad un prefissato sistema di riferimento assoluto, ossia solidale al pavimento,

- stabilire nel sistema di riferimento assoluto una posizione ed una orientazione iniziale del veicolo, una posizione finale da raggiungere, ed una traiettoria lungo la quale il veicolo deve avanzare dalla posizione iniziale alla posizione finale,

- attivare i mezzi di trazione del veicolo in modo da fare avanzare il veicolo a partire da detta posizione iniziale,

- rilevare, durante l’avanzamento del veicolo, i tags che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione di almeno un lettore di tag installato sul veicolo e, alla rilevazione di ciascun tag, eseguire le fasi di:

- acquisire la posizione del tag ed utilizzarla per localizzare una posizione attuale del veicolo nel sistema di riferimento assoluto, - confrontare detta posizione attuale con la traiettoria stabilita e, se la posizione attuale non appartiene alla traiettoria stabilita, - regolare un parametro di sterzatura del veicolo in modo che, nel prosieguo dell’avanzamento, il veicolo si avvicini alla traiettoria stabilita.

Con questo metodo, i tags non vengono più utilizzati come semplici indicatori, come avviene in alcuni sistemi di guida a filo elettrico o a banda magnetica o colorata citati in premessa, ma vengono utilizzati nella navigazione del veicolo. In altre parole, i tags vengono utilizzati per realizzare un sistema di localizzazione che può essere considerato come una alternativa ai tradizionali sistemi a guida laser. Tale sistema di localizzazione consente infatti di conoscere ad ogni istante la posizione del veicolo sul pavimento, rispetto al sistema di riferimento assoluto, e quindi di azionare il veicolo a seguire una traiettoria, ovvero un percorso, che non à ̈ più tracciato fisicamente sotto forma di un cavo elettrico o di una banda magnetica o colorata, ma à ̈ semplicemente definito da una funzione matematica avente come variabili le coordinate del suddetto sistema di riferimento assoluto.

In questo modo, il percorso del veicolo può essere modificato in modo molto semplice ed economico semplicemente variando la funzione matematica che rappresenta la traiettoria del veicolo, senza alcun intervento sul pavimento, né su alcuna struttura presente all’interno dello stabilimento o del magazzino.

Un altro vantaggio di questa soluzione consiste nel fatto che, localizzando il veicolo per mezzo dei tags, non esistono zone d’ombra o in generale zone in cui il veicolo non possa essere guidato a muoversi.

Un ulteriore vantaggio di questa soluzione consiste poi nel fatto di essere piuttosto economica, in quanto sia i tags sia i relativi lettori sono componenti dal costo relativamente contenuto, e comunque significativamente inferiore rispetto ad altri sistemi, in particolare rispetto ai sistemi laser.

Secondo un aspetto dell’invenzione, i tags possono essere distribuiti su detta almeno un’area del pavimento in posizioni prefissate rispetto al sistema di riferimento assoluto, in modo tale che la posizione di ciascuno di essi sia vantaggiosamente nota a priori.

In alternativa, i tags possono essere distribuiti in modo casuale (ossia in posizioni ignote) rispetto al sistema di riferimento assoluto, in modo da rende tale distribuzione una operazione più semplice, rapida ed economica.

Se i tags vengono distribuiti in modo casuale, la loro posizione può essere determinata in un secondo momento, ad esempio mediante le fasi di:

- muovere su detta almeno un’area del pavimento un carrello a bordo del quale à ̈ installato almeno un lettore di tag,

- rilevare, durante il movimento del carrello, i tags che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione di detto lettore e, alla rilevazione di ciascun tag, eseguire le fasi di:

- determinare la posizione del carrello nel sistema di riferimento assoluto e nell’istante di rilevazione,

- utilizzare la posizione del carrello per stabilire la posizione del tag rilevato.

La posizione del carrello può essere determinata mediante qualunque sistema di localizzazione noto, ad esempio un sistema di localizzazione laser.

Tale sistema di localizzazione laser può prevedere ad esempio di misurare la distanza tra uno scanner laser montato a bordo del carrello ed almeno tre specchi cilindrici riflettenti collocati in posizione nota nel sistema di riferimento assoluto, e quindi di utilizzare le distanze misurate e le posizioni note degli specchi riflettenti, per calcolare la posizione del carrello nel sistema di riferimento assoluto.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la posizione di ciascun tag può essere memorizzata nel tag stesso (ad esempio nel suo microchip), oppure in un database accessibile da una unità di controllo del veicolo, nel quale ciascuna posizione à ̈ associata ad un codice identificativo del tag cui si riferisce.

Come detto in precedenza, dopo aver memorizzato la posizione dei tags distribuiti sul pavimento, il metodo di navigazione prevede di stabilire, nel sistema di riferimento assoluto, una posizione ed una orientazione iniziale del veicolo, una posizione finale da raggiungere, ed una traiettoria lungo la quale il veicolo deve avanzare dalla posizione iniziale alla posizione finale.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la posizione e l’orientazione iniziali del veicolo possono essere note a priori, in quanto il veicolo può trovarsi in una collocazione conosciuta, ad esempio in una stazione di parcheggio, in una stazione di prelievo o in una stazione di rilascio del carico.

Se invece la collocazione del veicolo non fosse conosciuta a priori, ad esempio a causa di un urto, di un errore del sistema o altri motivi, la posizione e l’orientazione iniziali del veicolo sul pavimento possono essere stabilite mediante una procedura che comprende ad esempio le fasi di:

- impostare il parametro di sterzatura del veicolo ad un valore predeterminato, preferibilmente ad un valore nullo in modo che il veicolo possa procedere solo in direzione rettilinea,

- attivare i mezzi di trazione del veicolo in modo da far compiere al veicolo un avanzamento iniziale con il parametro di sterzatura impostato, preferibilmente a bassa/bassissima velocità,

- rilevare almeno due tags che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione del lettore di tag del veicolo, durante detto avanzamento iniziale,

- acquisire la posizione di detti almeno due tags nel sistema di riferimento assoluto,

- stabilire la posizione e l’orientazione iniziali del veicolo nel sistema di riferimento assoluto, sulla base alla posizione di detti almeno due tags.

In pratica, le posizioni dei due tags possono essere utilizzate per determinare, nel sistema di riferimento assoluto, il vettore spostamento compiuto dal veicolo durante il suddetto avanzamento iniziale. In questo modo, il punto terminale e l’orientazione del vettore spostamento forniscono rispettivamente la posizione e la orientazione iniziali del veicolo.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, la traiettoria che il veicolo deve seguire durante la navigazione può essere stabilita a priori, oppure può essere stabilita di volta in volta in funzione della posizione e orientazione iniziale e della posizione finale da raggiungere.

Dopo aver determinato la traiettoria da seguire, il metodo di navigazione prevede di fare avanzare il veicolo, di rilevare ciascun tag che progressivamente entra nello spazio di rilevazione del lettore di tag montato sul veicolo e di acquisirne la posizione.

Nel caso in cui la posizione dei tags sia memorizzata direttamente al loro interno, il metodo prevede di acquisire tale informazione direttamente dal tag che si trova nello spazio di rilevazione del lettore. Se invece la posizione dei tags à ̈ memorizzata in un database esterno, il metodo prevede di acquisire tale informazione leggendo il codice identificativo del tag che entra nello spazio di rilevazione del lettore e recuperando nel database la posizione corrispondente. Dopo aver acquisito la posizione del tag, il metodo prevede di utilizzarla per localizzare la posizione attuale del veicolo nel sistema di riferimento assoluto.

A questo proposito, un aspetto dell’invenzione prevede semplicemente di settare la posizione del tag rilevato come posizione attuale del veicolo.

In alternativa, sul veicolo potrebbero essere istallati due o più di lettori di tag, in modo tale che ciascuno di essi possa rilevare contemporaneamente un rispettivo tag ed acquisirne la posizione rispetto al sistema di riferimento assoluto. In questo modo, la posizione di tutti i tag contemporaneamente rilevati può essere utilizzata per calcolare, nel sistema di riferimento assoluto, la posizione di un punto di riferimento solidale al veicolo, la quale verrà quindi settata come posizione attuale del veicolo.

Come detto in precedenza, la posizione attuale del veicolo viene quindi confrontata con la traiettoria stabilita e, se la posizione attuale non appartiene alla traiettoria stabilita, il parametro di sterzatura del veicolo viene regolato in modo che, nel prosieguo dell’avanzamento, il veicolo tenda ad avvicinarsi alla traiettoria stabilita.

Secondo un aspetto dell’invenzione, il confronto tra la posizione attuale del veicolo e la traiettoria stabilita comprende la fase di: - calcolare la distanza minima tra la posizione attuale del veicolo e la traiettoria da seguire.

In questo modo, la regolazione del parametro di sterzatura può essere eseguita mediante un controllo in retroazione in cui la variabile controllata à ̈ la suddetta distanza minima e la variabile manipolabile à ̈ il parametro di sterzatura. In altre parole, la regolazione del parametro di sterzo può essere eseguita mediante un controllore, ad esempio un controllore proporzionale-integrativo-differenziale, che riceve in retroazione la distanza minima calcolata e varia il parametro di sterzo del veicolo (tramite gli attuatori degli organi di sterzo), in modo da minimizzare tale differenza.

Naturalmente, il parametro di sterzatura e le modalità di regolazione dello stesso dipendono dall’architettura del veicolo e degli organi che consentono al veicolo di cambiare direzione. In particolare, se il veicolo à ̈ dotato di una o più ruote sterzanti, il parametro di sterzatura potrà essere l’angolo di sterzo, ossia l’orientazione delle ruote sterzanti rispetto all’asse longitudinale del veicolo. Se invece il veicolo adotta un sistema a cingoli o simile, il parametro di sterzatura potrà essere la velocità relativa tra i cingoli. In ogni caso, nell’ambito della presente trattazione, un parametro di sterzatura à ̈ da considerarsi come un qualunque parametro la cui variazione comporta una variazione della direzione del veicolo.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il metodo di guida può comprendere anche la fase di rilevare l’eventuale presenza di ostacoli lungo la traiettoria stabilita.

Tale rilevazione può essere eseguita mediante un sistema montato a bordo del veicolo e che sia generalmente atto a determinare la distanza tra il veicolo e gli oggetti posti davanti ad esso nel senso di marcia, ad esempio un sistema a ultrasuoni, a microonde oppure un sistema di visione artificiale.

Se un ostacolo viene rilevato lungo la traiettoria, un aspetto preferito dell’invenzione prevede che il metodo comprenda la fase di modificare la traiettoria impostata, in modo da operare un aggiramento dell’ostacolo.

Con un sistema di visione artificiale montato sul veicolo à ̈ possibile ad esempio determinare gli ingombri e la profondità dell’ostacolo rilevato lungo la traiettoria, e quindi modificare almeno localmente detta traiettoria in modo che il veicolo possa superare l’ostacolo senza urtarlo.

Un’altra forma di attuazione dell’invenzione rende disponibile un sistema per eseguire il metodo di navigazione sopra delineato e trarne i relativi vantaggi.

Detto sistema di navigazione comprende una molteplicità di tags distribuiti su almeno un’area di un pavimento in cui il veicolo deve essere guidato a muoversi, mezzi di memorizzazione in cui à ̈ memorizzata la posizione di ciascun tag rispetto ad un prefissato sistema di riferimento fisso, ed un apparato elettronico di controllo, il quale à ̈ connesso con almeno un lettore di tag installato sul veicolo ed à ̈ configurato per:

- stabilire nel sistema di riferimento assoluto una posizione ed una orientazione iniziale del veicolo, una posizione finale da raggiungere, ed una traiettoria lungo la quale il veicolo deve avanzare dalla posizione iniziale alla posizione finale,

- attivare i mezzi di trazione del veicolo in modo da fare avanzare il veicolo a partire da detta posizione iniziale,

- rilevare, durante l’avanzamento del veicolo, i tags che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione del lettore di tag e, alla rilevazione di ciascun tag, eseguire le fasi di:

- acquisire la posizione del tag ed utilizzarla per localizzare una posizione attuale del veicolo nel sistema di riferimento assoluto, - confrontare detta posizione attuale con la traiettoria stabilita e, se la posizione attuale non appartiene alla traiettoria stabilita, - regolare un parametro di sterzatura del veicolo in modo che, nel prosieguo dell’avanzamento, il veicolo si avvicini alla traiettoria stabilita.

Naturalmente tutti gli aspetti secondari dell’invenzione menzionati in precedenza in relazione al metodo di navigazione si applicano anche al relativo sistema.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate.

La figura 1 à ̈ la vista in pianta di un pavimento su cui à ̈ predisposto un sistema di navigazione per veicoli a guida automatica secondo una forma di attuazione della presente invenzione.

La figura 2 Ã ̈ una vista schematica, maggiormente dettagliata, di un veicolo a guida automatica atto ad essere movimentato tramite il sistema di navigazione di figura 1.

La figura 3 mostra un dettaglio ingrandito di figura 1 durante la navigazione del veicolo.

La figura 4 Ã ̈ uno schema di flusso che illustra una procedura di controllo che viene eseguita dal sistema di navigazione per guidare il veicolo.

La figura 5 à ̈ la figura 1 mostrata durante l’esecuzione di una procedura per la determinazione della posizione dei tags distribuiti sul pavimento.

La figura 6 mostra un dettaglio ingrandito di figura 1 durante l’esecuzione di una procedura per l’inizializzazione della posizione del veicolo.

Nelle figure à ̈ schematicamente illustrato un sistema di navigazione 100 per un veicolo a guida automatica 200 su un pavimento 300, ad esempio il pavimento di un magazzino o di uno stabilimento produttivo.

Sul pavimento 300 sono distribuiti una molteplicità di tags a radiofrequenza (RFID) 305. Ogni tag a radiofrequenza 305 può comprendere una antenna adatta a comunicare attraverso segnali in radiofrequenza ed un microchip, o in alternativa un elemento di memorizzazione passivo, in cui à ̈ memorizzato un codice identificativo del tag e/o altre informazioni. Ogni tag 305 può avere una dimensione dell’ordine dei pochi millimetri e può essere ricoperto da un guscio protettivo. Nell’esempio illustrato, i tags 305 sono distribuiti su tutto il pavimento 300. In altre forme di attuazione, i tags 305 potrebbero essere distribuiti solo su un’area limitata del pavimento 300, ovvero solo sull’area in cui il veicolo 200 deve effettivamente potersi muovere. In quest’area, i tags 305 possono essere distribuiti in modo ordinato, ossia in posizioni prefissate, oppure possono essere distribuiti in modo casuale, ossia in posizioni ignote a priori. I tags 305 possono essere posizionati sopra la superficie del pavimento 300, oppure possono essere posizionati al di sotto di essa, ad esempio sotto uno strato superficiale di rivestimento. La densità dei tags 305 sul pavimento 300 dipende in generale dalle dimensioni del veicolo 200 e dal grado di precisione che si desidera ottenere negli spostamenti dello stesso. Nelle applicazioni consuete, ad esempio per trasportare carichi in un magazzino o in uno stabilimento produttivo, può essere sufficiente una densità di circa quattro tags 305 per metro quadrato di superficie.

Il veicolo 200 può essere un qualunque tipo di veicolo in grado di muoversi sul pavimento 300 e dotato di un sistema di sterzatura che gli consenta di cambiare direzione. In questo esempio, il veicolo 200 appoggia sul pavimento 300 con tre ruote, di cui due ruote posteriori 205 allineate su uno stesso asse, ed una ruota anteriore 210 posta sulla mezzeria del veicolo 200. Almeno una delle ruote del veicolo 200 à ̈ motorizzata, ad esempio azionata da un motore elettrico o da un combustione interna (non mostrato), in modo da fornire trazione e fare avanzare il veicolo 200. Per cambiare la direzione del veicolo 200, la ruota anteriore 210 à ̈ collegata ad un dispositivo di sterzo (non mostrato), comprendente ad esempio un attuatore elettrico, che le consente di ruotare intorno ad un asse sostanzialmente verticale, in modo da variare l’angolo di sterzo Î ̧, cioà ̈ l’angolo tra il piano di rotazione della ruota anteriore 210 e l’asse longitudinale del veicolo 200. In altre forme di attuazione, il veicolo 200 potrebbe essere dotato di due ruote sterzanti poste su uno stesso assale. In altre forme di attuazione, il veicolo 200 potrebbe essere costruttivamente molto differente, ad esempio potrebbe essere dotato di un sistema di trazione a cingoli o simile. In questo caso, il dispositivo di sterzo potrebbe essere un sistema in grado di variare la velocità relativa dei cingoli.

A bordo del veicolo 200 à ̈ montato almeno un lettore a radiofrequenza 215, il quale à ̈ posizionato in modo da poter rilevare i tags 305 che sono distribuiti sul pavimento 300. In generale, il lettore 215 à ̈ un dispositivo atto ad emettere un segnale a radiofrequenza verso il pavimento 300. La superficie del pavimento 300 investita da tale segnale in radiofrequenza definisce lo spazio di rilevazione 220 del lettore 215. Quando un tag 305 entra nello spazio di rilevazione 220 del lettore 215, il segnale emesso dal lettore 215 attiva il microchip del tag 305 e gli fornisce l'energia necessaria per rispondere con un segnale a radiofrequenza contenente le informazioni memorizzate nel microchip stesso. Il segnale di risposta viene captato dal lettore 215 che rileva la presenza del tag 305 e contemporaneamente riceve le informazioni in esso contenute. La forma e le dimensioni dello spazio di rilevazione 220 possono dipendere dalla tipologia, dalle dimensioni, dal posizionamento e da tanti altri aspetti legati al lettore 215. In generale, queste caratteristiche devono essere scelte in base alla densità dei tags 305 sul pavimento 300 affinché, durante un avanzamento del veicolo 200 sul pavimento, il lettore 215 sia in grado di rilevare almeno un tag 305 alla volta, ed in modo piuttosto frequente. In altre forme di attuazione, il veicolo 200 potrebbe essere dotato di due o più lettori a radiofrequenza 215, collocati in posizioni diverse su di esso, in modo da poter rilevare i tags 305 con maggiore frequenza e/o poterne rilevare più di uno contemporaneamente.

In aggiunta al/ai lettori a radiofrequenza 215, sul veicolo 200 possono essere installati un sensore inerziale 222 e/o altri sensori odometrici, tra cui ad esempio uno o più encoders 225 singolarmente montati su una rispettiva ruota del veicolo 200, per misurarne la velocità, e/o un encoder 230 associato al dispositivo di sterzo, per misurare l’angolo di sterzo Î ̧.

Sul veicolo 200 può inoltre essere installato un sistema di visione artificiale 232, il quale può comprendere ad esempio una coppia di telecamere 235 disposte affiancate e puntate nel senso di avanzamento del veicolo 200, in modo da poter riprendere immagini stereoscopiche dello spazio circostante.

Il sistema di visione artificiale 232, i sensori odometrici e il/i lettori a radiofrequenza 215 sono collegati ad un sistema elettronico 240 per il controllo del veicolo 200, il quale può comprendere un controllore logico programmabile (PLC – Programmable Logic Controller) e/o un PC industriale installato a bordo del veicolo 200, ed eventualmente un’unità di elaborazione centrale, installata in posizione fissa nello stabilimento o nel magazzino, la quale à ̈ atta a comunicare con il PLC e/o il PC tramite un sistema di comunicazione wireless.

Per poter guidare il veicolo 200 in modo automatico, il sistema di navigazione 100 prevede innanzitutto di determinare e memorizzare la posizione di ciascun tag 305 rispetto ad un sistema di riferimento assoluto solidale al pavimento 300, ad esempio al sistema di riferimento cartesiano bidimensionale X-Y.

Nel caso in cui i tags 305 siano stati distribuiti in modo ordinato, la loro posizione rispetto al sistema di riferimento assoluto X-Y può essere nota a priori. Nel caso in cui i tags 305 siano stati distribuiti casualmente, la posizione dei tags 305 deve invece essere determinata mediante una procedura dedicata.

Un esempio di tale procedura à ̈ illustrato in figura 5 e prevede l’utilizzo di un carrello 400, a movimentazione manuale o automatica, a bordo del quale à ̈ stato installato almeno un lettore di tag 415 dello stesso tipo di quello installato sul veicolo 200. La procedura può quindi prevedere di muovere il carrello 400 sul pavimento 300, in modo che lo spazio di rilevazione del lettore 415 “spazzi†progressivamente tutta l’area su cui sono stati distribuiti i tags 305. Ogni volta che il lettore 415 rileva un tag 305, la procedura può prevedere di arrestare il carrello 400 e di determinarne la posizione rispetto al sistema di riferimento assoluto X-Y. La posizione del carrello 400 può essere determinata mediante un qualunque sistema di localizzazione noto, ad un esempio un sistema di localizzazione laser. Detto sistema di localizzazione laser può comprendere ad esempio uno scanner laser 430 (trasmettitore e ricevitore) montato a bordo del carrello 400, il quale à ̈ atto a determinare la distanza del carrello 400 da almeno tre specchi cilindrici riflettenti 435 collocati in posizione nota rispetto al sistema di riferimento assoluto X-Y, e quindi di utilizzare dette misure per calcolare la posizione del carrello 400. La posizione del carrello 400 può quindi essere utilizzata per determinare la posizione assoluta del tag 305 rilevato. Ad esempio, al tag 305 rilevato può essere semplicemente assegnata la posizione del carrello 400 come determinata dal sistema laser.

Si desidera osservare che questa procedura può essere vantaggiosamente eseguita prima di attrezzare lo stabilimento o il magazzino con gli appositi scaffali e/o apparati di processo, cosicché il pavimento 300 risulti completamente sgombro in questa fase, evitando il problema delle zone d’ombra e semplificando notevolmente il sistema di localizzazione laser. Si desidera inoltre osservare che questo sistema di localizzazione laser à ̈ provvisorio, per cui può essere successivamente smantellato ed eventualmente riutilizzato.

La posizione di ciascun tag 305 rispetto al sistema di riferimento assoluto X-Y può essere memorizzata nel tag 305 stesso, nel caso in cui esso sia dotato di un sistema di memorizzazione programmabile, oppure può essere memorizzata in un database, nel quale la posizione assoluta di ciascun tag 305 viene associata al relativo codice identificativo. Questo database può essere salvato in un’unità di memorizzazione (non mostrata) associata al sistema elettronico di controllo 240.

Una volta memorizzata la posizione assoluta di tutti i tags 305, il sistema elettronico di controllo 240 Ã ̈ in grado di guidare in modo automatico il veicolo 200 a muoversi sul pavimento 300, eseguendo la procedura di navigazione descritta nel seguito.

Come illustrato in figura 1, detta procedura di navigazione prevede anzitutto di stabilire, nel sistema di riferimento assoluto X-Y, una posizione iniziale A ed una orientazione iniziale α assunte inizialmente dal veicolo 200.

La posizione e l’orientazione iniziali A e α del veicolo 200 possono essere note a priori, in quanto il veicolo 200 può trovarsi in una collocazione conosciuta, ad esempio in una stazione di ricarica o in una stazione di parcheggio. Qualora invece non siano note a priori, la posizione iniziale A e l’orientazione iniziale α del veicolo 200 possono determinate mediante una procedura di inizializzazione che verrà descritta più avanti.

La procedura di navigazione prevede inoltre di impostare una posizione finale B da raggiungere, ed una traiettoria T lungo la quale il veicolo 200 deve avanzare a partire dalla posizione iniziale A per raggiungere la posizione finale B.

Se le possibili destinazioni del veicolo 200 si trovano tutte in posizioni fisse, ad esempio in corrispondenza di una stazione di prelievo o di rilascio di un carico o comunque una precisa stazione operativa dello stabilimento, la traiettoria T può essere impostata a priori, ad esempio in base al layout dello stabilimento in cui il veicolo 200 si deve muovere. Se invece le destinazioni del veicolo 200 possono cambiare, la traiettoria T può essere determinata di volta in volta dal sistema elettronico di controllo 240, in base alla posizione iniziale A, all’orientazione iniziale α e alla posizione finale B da raggiungere.

In ogni caso, la traiettoria T comprenderà una o più linee concatenate che globalmente collegano la posizione iniziale A alla posizione finale B, ognuna delle quali sarà definita da una rispettiva funzione matematica avente come variabili le coordinate X-Y del sistema di riferimento assoluto. Per rendere più preciso il movimento del veicolo 200, à ̈ preferibile che la traiettoria T non presenti degli spigoli o dei punti di discontinuità, ma che sia definita da una concatenazione di linee, ad esempio da una successione di curve di Bézier, tra loro raccordate.

Dopo aver stabilito la traiettoria T, la procedura di navigazione prevede di azionare il dispositivo di sterzo del veicolo 200, in modo da impostare un valore iniziale per l’angolo di sterzo Î ̧, e di attivare i mezzi di trazione del veicolo 200, nella fattispecie la/le ruote motrici, in modo da fare avanzare il veicolo 200 a partire dalla posizione iniziale A con l’angolo di sterzo Î ̧ impostato. Il valore iniziale dell’angolo di sterzo Î ̧ può essere stabilito dal sistema di controllo 240 in base alla traiettoria T, oppure può essere un valore di default. Ad esempio, il valore iniziale dell’angolo di sterzo Î ̧ potrebbe essere pari a zero, in modo che il veicolo 200 proceda inizialmente in direzione rettilinea.

A mano a mano che il veicolo 200 avanza, la procedura di navigazione prevede che il lettore 215 rilevi i tags 305 che progressivamente entrano nel suo spazio di rilevazione 220.

Ad ogni rilevazione, la procedura di navigazione prevede quindi di eseguire un processo di controllo che consente di regolare l’angolo di sterzo Î ̧ (tramite l’azionamento automatico del dispositivo di sterzo), in modo che il veicolo 200 tenda a seguire la traiettoria impostata T.

Detto processo di controllo, che può essere descritto con l’ausilio delle figure 3 e 4, prevede per prima cosa che il sistema di controllo 240 acquisisca la posizione assoluta del tag 305 che à ̈ stato rilevato.

A seconda di dove à ̈ stata memorizzata, tale posizione può essere acquisita direttamente dal tag 305 tramite il lettore 215, oppure il sistema di controllo 240 può riceve dal lettore 215 il codice identificativo del tag 305 e recuperare nel database la posizione corrispondente a detto codice.

Il processo di controllo prevede quindi di utilizzare la posizione assoluta del tag 305 che à ̈ stato rilevato, per determinare la posizione attuale (x, y) del veicolo 200, nel sistema di riferimento assoluto X-Y.

Se (come nell’esempio illustrato) il veicolo 200 à ̈ dotato di un solo lettore 215, à ̈ possibile semplicemente assumere che la posizione attuale (x, y) del veicolo 200 coincida con la posizione del tag 305 rilevato. Se invece il veicolo 200 fosse provvisto di una pluralità di lettori 215, le posizioni assolute di tutti i tags 305 che vengono rilevati contemporaneamente da questi lettori 215 possono essere utilizzate per determinare, tramite formule trigonometriche, la posizione istantanea di uno specifico punto di controllo del veicolo 200 (ad esempio del suo baricentro), la quale verrà quindi assunta come posizione attuale (x, y) dell’intero veicolo 200.

Come illustrato nello schema di figura 4, il processo di controllo può prevedere a questo punto di calcolare la distanza minima D tra la posizione attuale (x, y) del veicolo 200 e la traiettoria stabilita T e di trasmetterla ad un controllore 245, ad esempio un controllore proporzionale-integrativo-differenziale, che riceve la distanza minima D calcolata e varia l’angolo di sterzo Î ̧ da applicare al veicolo 200 (tramite gli attuatori del dispositivo di sterzo), in modo da minimizzare tale distanza.

Ripetendo questa procedura di controllo per tutti i tag 305 che vengono rilevati a mano a mano che il veicolo 200 avanza, si ottiene in pratica un controllo in retroazione, in cui la variabile controllata à ̈ la suddetta distanza minima D e la variabile manipolabile à ̈ l’angolo di sterzo Î ̧, il quale consente al veicolo 200 di seguire la traiettoria impostata T.

Naturalmente la precisione con cui il veicolo 200 riesce a seguire la traiettoria T dipende dalla frequenza con cui la procedura di controllo sopra descritta viene ripetuta, ovvero dalla frequenza con cui il lettore 215 rileva i tags 305 durante l’avanzamento, la quale dipende a sua volta da molti fattori, tra cui ad esempio dalla densità dei tags 305 sul pavimento 300, dalla forma e le dimensioni dello spazio di rilevazione 220 del lettore 215, ed anche dalla traiettoria T prescelta.

Per rendere più preciso il movimento del veicolo, la procedura di navigazione può quindi prevedere di determinare e monitorare la posizione istantanea (x, y) del veicolo 200 anche mediante una tecnica di localizzazione inerziale, basata sul sensore inerziale 222, e/o mediante una tecnica odometrica, basata sui sensori odometrici 225 e 230 che sono associati alle ruote ed allo sterzo del veicolo 200. Come punti di riferimento e di reset per il calcolo inerziale o/o odometrico, possono essere considerati sia la posizione iniziale A, sia le varie posizioni intermedie che vengono individuate mediante i tags 305.

In questo modo, qualora in alcuni tratti della traiettoria T la frequenza di rilevazione dei tags 305 non sia sufficientemente elevata, il ciclo di controllo in retroazione descritto in precedenza può essere ripetuto una o più volte considerando come posizione attuale (x, y) del veicolo 200 quella determinata con il calcolo inerziale e/o odometrico, rendendo la navigazione più precisa.

Mentre il veicolo 200 à ̈ guidato ad avanzare lungo la traiettoria T, la procedura di navigazione prevede anche la possibilità di attivare le telecamere 235 del sistema di visione artificiale 232 e di utilizzarle in una procedura di ricostruzione e riconoscimento di oggetti, che consente al sistema di controllo 240 di rilevare l’eventuale presenza di ostacoli davanti al veicolo 200 lungo la traiettoria stabilita T.

Tale procedura di ricostruzione e riconoscimento di oggetti à ̈ di per sé già stata proposta nel campo dei veicoli a guida automatica e non viene pertanto descritta con particolare dovizia di dettagli. In generale, essa si basa sulla elaborazione delle immagini stereoscopiche riprese dalle telecamere 235, tramite le quali à ̈ possibile ricostruire una mappa di profondità dello spazio inquadrato. Detta mappa di profondità à ̈ in grado di fornire numerose informazioni, tra cui ad esempio informazioni sulla distanza, l’ingombro e la profondità degli oggetti che sono stati ripresi dalle telecamere 235. Attraverso queste informazioni, il sistema di controllo 240 à ̈ quindi in grado di stabilire se, procedendo lungo la traiettoria prescelta T, il veicolo 200 andrebbe ad urtare o meno i suddetti oggetti.

In caso affermativo, la procedura di navigazione prevede la possibilità di eseguire una tecnica che consente al veicolo 200 di aggirare l’ostacolo in modo automatico. Anche questa tecnica à ̈ di per sé già stata proposta nel campo dei veicoli a guida automatica e non viene pertanto descritta con particolare dovizia di dettagli. In generale, essa prevede di utilizzare la mappa di profondità per acquisire le informazioni relative alla distanza, agli ingombri e alla profondità dell’ostacolo rilevato, e quindi di modificare la traiettoria impostata T, in modo che il veicolo 200 aggiri l’ostacolo senza urtarlo, prima di riportarsi sulla traiettoria iniziale. In particolare, la tecnica in questione può prevedere di determinare tutte le possibili traiettorie che consentono al veicolo di raggiungere un punto a valle dell’ostacolo, di scartare tutte le traiettorie che implicherebbero un urto con l’ostacolo stesso e, tra quelle rimanenti, di selezionare la traiettoria ottimale per la dinamica del veicolo 200. Una volta determinata la nuova traiettoria, il veicolo 200 può essere guidato a seguirla utilizzando i tags 305 ed eventualmente il sensore inerziale 222 e/o i sensori odometrici 225 e 230, secondo le modalità descritte in precedenza.

Quando infine il veicolo 200 raggiunge la posizione finale B, Ã ̈ possibile che esso debba essere posizionato e orientato in modo molto preciso, ad esempio per poter cooperare con specifiche attrezzature del magazzino o dello stabilimento.

Durante questo posizionamento finale, il veicolo 200 può essere guidato in modo automatico con l’ausilio del sistema di visione artificiale 232. In particolare, à ̈ possibile predisporre in posizioni opportune sul pavimento e/o sulle attrezzature dello stabilimento dei riferimenti visivi, ad esempio dei nastri o delle etichette colorate, e programmare il sistema di controllo 240 a muovere il veicolo 200 in modo che questi riferimenti visivi raggiungono una desiderata posizione nelle immagini riprese dalle telecamere 235 del sistema di visione artificiale 232.

Durante l’intero processo di navigazione, il sistema di controllo 240 à ̈ inoltre atto ad eseguire parallelamente anche una serie di procedure di sicurezza che permettono di arrestare il veicolo 200, quando esso risulta sostanzialmente fuori controllo o comunque si verificano degli errori nel sistema. Una di queste procedure può prevedere ad esempio di arrestare il veicolo 200 se, ad un certo istante, la distanza D tra la posizione attuale (x, y) del veicolo 200 e la traiettoria impostata T risulta superiore ad un valore di soglia critico. Un’altra procedura può prevedere di arrestare il veicolo 200 se si verifica una avaria o se viene registrato, ad esempio tramite il sensore inerziale 222, un brusco spostamento del baricentro del veicolo 200, dovuto ad esempio ad un urto imprevisto o ad uno spostamento del carico.

In questi ed altri casi, dopo l’arresto del veicolo 200 à ̈ possibile il sistema di controllo 240 non conosca più l’esatta posizione del veicolo 200 rispetto al sistema di riferimento assoluto X-Y. In questa eventualità, il veicolo 200 può dover essere riportato manualmente alla stazione di ricarica o di parcheggio, oppure à ̈ possibile eseguire una procedura di inizializzazione che consenta di determinare la nuova posizione iniziale A e la nuova orientazione iniziale α in cui si trova effettivamente il veicolo 200.

Come illustrato in figura 6, tale procedura di inizializzazione può prevedere anzitutto di regolare il dispositivo di sterzatura del veicolo 200, in modo tale che l’angolo di sterzo Î ̧ abbia un valore prefissato. Ad esempio, l’angolo di sterzo Î ̧ può essere impostato ad un valore pari a zero, in modo che il veicolo 200 possa procedere solo in direzione rettilinea. Dopo aver impostato l’angolo di sterzo Î ̧, la procedura prevede di attivare i mezzi di trazione del veicolo 200, ovvero la/le ruote motrici, in modo da far compiere al veicolo 200 un piccolo avanzamento iniziale, preferibilmente a bassa/bassissima velocità. Mentre il veicolo 200 compie questo avanzamento iniziale, il lettore 215 rileva i tags 305 che progressivamente entrano nel suo spazio di rilevazione 220. Ad ogni rilevazione, la procedura di inizializzazione prevede di acquisire la posizione assoluta del tag 305 rilevato e di utilizzarla per determinare la posizione attuale del veicolo 200, come descritto in precedenza. In questo modo, quando il lettore 215 ha rilevato almeno due tags 305 in sequenza, il sistema di controllo 240 ha a disposizione due posizioni assolute del veicolo 200 che rappresentano gli estremi del vettore spostamento S compiuto dal veicolo 200 durante l’avanzamento iniziale. Il sistema di controllo 240 può pertanto determinare il suddetto vettore spostamento S e settare il punto terminale e l’orientazione del vettore S rispettivamente come posizione iniziale A e orientazione iniziale α del veicolo 200.

In conclusione si desidera sottolineare che, sebbene la descrizione precedente faccia sempre riferimento all’uso di tags a radiofrequenza (RFID), in altre forme di attuazione il sistema di navigazione 100 potrebbe utilizzare tags 305 di tipo differente, purché idonei ad essere identificati in modo univoco da almeno un rispettivo lettore 215 montato a bordo del veicolo 200.

Inoltre, sebbene la descrizione precedente faccia sempre riferimento ad un solo veicolo 200, in altre forme di attuazione il sistema di navigazione 100 potrebbe essere utilizzato per guidare contemporaneamente una pluralità di veicoli 200 sul pavimento 300.

Ovviamente al sistema di navigazione 100 sopra descritto un tecnico del settore potrebbe apportare numerose modifiche di natura tecnico applicativa, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come sotto rivendicata.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo di navigazione per un veicolo (200) a guida automatica, comprendente le fasi di: - distribuire una molteplicità di tags (305) su almeno un’area di un pavimento (300) in cui il veicolo (200) deve essere guidato a muoversi, e memorizzare la posizione di ciascun tag rispetto ad un prefissato sistema di riferimento assoluto, - stabilire nel sistema di riferimento assoluto una posizione (A) ed una orientazione iniziale (α) del veicolo (200), una posizione finale da raggiungere, ed una traiettoria (T) lungo la quale il veicolo deve avanzare dalla posizione iniziale (A) alla posizione finale (B), - attivare i mezzi di trazione del veicolo (200) in modo da fare avanzare il veicolo (200) a partire da detta posizione iniziale, - rilevare, durante l’avanzamento del veicolo, i tags (305) che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione (220) di almeno un lettore di tag (215) installato sul veicolo (200) e, alla rilevazione di ciascun tag, eseguire le fasi di: - acquisire la posizione del tag (305) ed utilizzarla per localizzare una posizione attuale del veicolo (200) nel sistema di riferimento assoluto, - confrontare detta posizione attuale con la traiettoria stabilita (T) e, se la posizione attuale non appartiene alla traiettoria stabilita, - regolare un parametro di sterzatura del veicolo (200) in modo che, nel prosieguo dell’avanzamento, il veicolo (200) si avvicini alla traiettoria stabilita (T).
2. 2. Un metodo secondo la rivendicazione 1, in cui i tags (305) sono tags a radiofrequenza.
3. 3. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui i tags (305) sono distribuiti su detta almeno un’area del pavimento (300) in posizioni prefissate rispetto al sistema di riferimento assoluto.
4. 4. Un metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i tags (305) sono distribuiti su detta almeno un’area del pavimento (300) in modo casuale rispetto al sistema di riferimento assoluto.
5. 5. Un metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la posizione di ciascun tag (305) rispetto al sistema di riferimento assoluto viene determinata mediante le fasi di: - muovere su detta almeno un’area del pavimento un carrello (400) a bordo del quale à ̈ installato almeno un lettore di tag (415), - rilevare, durante il movimento del carrello (400), i tags che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione di detto lettore (415) e, alla rilevazione di ciascun tag (305), eseguire le fasi di: - determinare la posizione del carrello (400) nel sistema di riferimento assoluto e nell’istante di rilevazione, - utilizzare la posizione del carrello (400) per stabilire la posizione del tag (305) rilevato.
6. 6. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la posizione di ciascun tag (305) Ã ̈ memorizzata nel tag (305) stesso.
7. 7. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la posizione di ciascun tag (305) à ̈ memorizzata in un database accessibile da una unità di controllo (240) del veicolo, nel quale ciascuna posizione à ̈ associata ad un codice identificativo del tag (305) cui si riferisce.
8. 8. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la posizione (A) e l’orientazione iniziale (α) del veicolo (200) vengono stabilite con le fasi di: - impostare il parametro di sterzatura del veicolo (200) ad un valore predeterminato, - attivare i mezzi di trazione del veicolo (200) in modo da far compiere al veicolo (200) un avanzamento iniziale con il parametro di sterzatura impostato, - rilevare almeno due tags (305) che progressivamente entrano nello spazio di rilevazione (220) del lettore di tag (215) del veicolo, durante detto avanzamento iniziale, - acquisire la posizione di detti almeno due tags (305) nel sistema di riferimento assoluto, - stabilire la posizione e l’orientazione iniziali del veicolo (200) nel sistema di riferimento assoluto, sulla base alla posizione di detti almeno due tags (305).
9. 9. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il confronto tra la posizione attuale del veicolo (200) e la traiettoria stabilita (T) comprende la fase di: - calcolare la distanza minima (D) tra la posizione attuale del veicolo (200) e la traiettoria impostata (T).
10. 10. Un metodo secondo la rivendicazione 9, in cui la regolazione del parametro di sterzatura prevede la fase di utilizzare un controllore (245) che riceve in retroazione la distanza calcolata (D) e varia il parametro di sterzatura in modo da minimizzare detta distanza.
11. 11. Un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di rilevare l’eventuale presenza di ostacoli lungo la traiettoria stabilita (T).
12. 12. Un metodo secondo la rivendicazione 11, comprendente la fase di modificare la traiettoria impostata (T), in modo da operare un aggiramento dell’ostacolo eventualmente rilevato.