ITTO20080489A1 - Sistema di guida a infrarossi per carrelli a guida automatica - Google Patents

Description

descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale: SISTEMA DI GUIDA A INFRAROSSI PER CARRELLI A GUIDA AUTOMATICA

DESCRIZIONE

La presente invenzione è relativa al campo dei carrelli a movimento automatico, ed in particolare si riferisce ad sistema di guida a infrarossi per carrelli 1 a guida automatica.

Il carrelli a guida automatica (noti con l’acronimo di AGV, Automatic Guided Vehicles), fanno tipicamente parte di sistemi di magazzinaggio automatizzato che si propongono di assolvere a tutte quelle operazioni di prelievo (con l’ausilio di accessori o attrezzature), movimentazione, trasporto e collegamento di merci da e verso una pluralità di scaffali all’interno di un magazzino automatizzato. Tali operazioni generalmente si definiscono come logistiche all’interno di un contesto industriale.

La sempre maggiore esigenza di trasporti privi di intervento umano diretto all’interno di magazzini automatici e l’esigenza di aumentare il numero di operazioni per la gestione e/o trasporto merci ha reso necessaria l’introduzione di una gestione automatizzata per le operazioni di movimentazione.

Altresì quando queste operazioni trovano applicazione in altri campi, ad esempio nel settore dei servizi per trasporto disabili o altro ancora non si può più parlare di funzioni logistiche, pertanto ogni qualsiasi attività svolta verrà in seguito genericamente definita “movimentazione a guida automatica” di cui il nuovo acronimo AGM (Automated Guide Movimentation).

Sono noti dei carrelli a guida automatica AGV con guida sia fissa e sia libera.

I carrelli a guida fissa si muovono su un percorso individuato da un conduttore isolato percorso da una corrente alternata ad una specifica frequenza (1-100 Khz). In questo caso il conduttore è posizionato nella pavimentazione su cui si compiono gli spostamenti, e la sua disposizione è fissa e viene decisa solamente dopo un’attenta pianificazione della struttura planimetrica del magazzino automatico nel quale essi saranno posati.

Alternativamente i carrelli a guida fissa si muovono su vere e proprie rotaie metalliche, fissate in modo inamovibile sul pavimento del magazzino.

Esistono inoltre carrelli a guida automatica a guida libera; tipicamente essi impiegano un sistema di guida ottica a raggio laser o a luce riflessa, i quali sfruttano appunto un fascio laser o una altra sorgente di fotoni, operante nello spettro visibile o nell’infrarosso, la quale invia il suddetto fascio di fotoni verso appositi mezzi riflettenti, che sono atti a permettere la riflessione del fascio verso il carrello a guida automatica, in modo tale che uno o più sensori permettano di individuare il fascio riflesso e determinino attraverso una elaborazione numerica, il percorso che il carrello deve seguire.

In dettaglio tali sistemi possono impiegare, ad esempio,

- una striscia catarifrangente posizionata sul terreno, atta ad essere illuminata da una sorgente luminosa posta sul carrello stesso

- uno o più laser ruotanti, in grado di determinare la posizione all’interno dell’ambiente.

I sistemi di tipo noto sono tuttavia caratterizzati da alcuni svantaggi. In primo luogo, i sistemi a guida fissa richiedono l’allestimento del magazzino tramite cavi, sensori annegati nel pavimento e rotaie che, oltre ad grossi esborsi finanziari, rendono il magazzino automatico nel quale vengono montati assolutamente inflessibile al cambiamento della disposizione degli scaffali, giacché questa operazione comporterebbe la completa riprogettazione dei sistemi di guida.

Inoltre i sistemi a guida fissa rendono difficile l’accesso al magazzino ai tradizionali mezzi di spostamento merci quali ad esempio i muletti per la movimentazione dei pallet, in quanto le guide posizionate e fissate sul pavimento spesso creano un ostacolo non superabile.

Per quanto riguarda i sistemi a guida libera, essi sono soggetti allo svantaggio che:

- nel caso dei sistemi a striscia catarifrangente, interruzioni o macchie sulla stessa possono causare malfunzionamenti del sistema di guida del carrello;

- nel caso di sorgenti laser ruotanti, durante la rotazione il carrello non si può muovere o le sue capacità di movimento sono estremamente basse.

Inoltre i magazzini automatici sono molto spesso predisposti ad un elevato contenuto di agenti capaci di oscurare il potere riflettente di strisce catarifrangenti, rendendo quindi instabile il funzionamento dei carrelli a guida libera di tipo ottico noto.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema di guida a infrarossi per carrelli 1 a guida automatica, il quale sia esente dagli inconvenienti sopra descritti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di guida a infrarossi per carrelli 1 a guida automatica come rivendicato nella rivendicazione 1.

L’invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- in figura 1 è illustrata una rappresentazione schematica di un magazzino con un carrello a guida automatica dotato di un sistema di guida secondo la presente invenzione.

- in figura 2 è illustrato uno schema a blocchi dei componenti principali di un carrello a guida automatica dotato di un sistema secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1, con 1 è indicato nel suo complesso un carrello a guida automatica con sistema di guida ad infrarossi, il quale comprende almeno un corpo 2, dotato di un piano di carico 3, e una pluralità di ruote 4 di tipo fisso o sterzante, in grado di fare percorrere al carrello 1 traiettorie tanto rettilinee quanto curve.

Il carrello 1 è inoltre dotato, in una sua parte anteriore, di una torretta 5 ruotante su un piano sostanzialmente orizzontale e sulla quale sono disposte una pluralità di telecamere 6, il cui scopo è quello di acquisire l’immagine dell’ambiente di un magazzino 100 circostante il carrello 1. Più in dettaglio, le telecamere 6 sono atte a permettere di identificare delle zone percorribili 101 del magazzino 100.

Le telecamere 6 possiedono degli elementi sensibili all’infrarosso vicino e, nel campo inquadrato da una pluralità di loro obiettivi 6a, identificano una pluralità di obiettivi (meglio noti come target) 20 disposti sulle strutture del magazzino 100 in modo tale da essere visibili dalle telecamere 6 stesse e in numero crescente con il crescere delle dimensioni del magazzino 100, con la complessità del percorso che deve compiere il carrello 1 e con il livello di accuratezza di posizionamento del carrello 1 che si vuole ottenere dal sistema.

Siccome le telecamere 6 possono ruotare con la torretta 5, gli obiettivi 6a possono avere un campo di ripresa ridotto, e presentare quindi immagini con maggiori dettagli, in modo tale da identificare con precisione un numero limitato di target 20. La rotazione della torretta 5 permette quindi di ridurre il numero di target 20 da disporre nel magazzino 100, rispetto ad un sistema dotato di telecamere fisse rispetto al carrello.

Il carrello 1 comprende infine uno o più illuminatori 12 operanti sulla gamma di frequenza dell’infrarosso ed orientati in modo tale da essere disposti in direzione sostanzialmente corrispondente a quella di una parte frontale del carrello 1.

Più in dettaglio i target 20 possono essere di due tipi.

Un primo tipo di target 20 è quello relativo ai target attivi (tecnicamente noti come beacons), ovvero emettenti un segnale ad infrarosso allorché illuminati da almeno un illuminatore 12. In dettaglio i target attivi comprendono almeno un trasmettitore ad infrarossi, una sorgente di alimentazione elettrica propria (quale ad esempio una cella fotovoltaica semplice o accoppiata ad una batteria) o, alternativamente, un collegamento ad una sorgente di alimentazione elettrica esterna.

Un secondo tipo di target, detti target passivi, è caratterizzato da elementi privi di trasmettitori a raggi infrarossi (ad esempio un target passivo può essere un materiale assorbente i raggi infrarossi o un materiale riflettente gli stessi).

I target 20 sono in grado, a seconda del tipo sopra descritto, di trasmettere assorbire o riflettere dei raggi infrarossi secondo una codifica univoca, in modo tale che sia permessa l’identificazione univoca del loro codice e conseguentemente della loro posizione da parte dell’elaboratore di bordo 7.

Tale tipo di codifica univoca può, alternativamente, essere una particolare modulazione del segnale infrarosso trasmesso o, nel caso di target passivi, una particolare configurazione geometrica del riflettore.

Come mostrato in figura 2, le telecamere 6 inviano una pluralità di dati in formato analogico o numerico e relativi ad immagini acquisite ad un elaboratore di bordo 7, posizionato all’interno del corpo del carrello 1, il quale identifica in tempo reale le immagini riprese dalle telecamere 6 permettendo di individuare la posizione del target 20 all’interno delle immagini.

Mediante infatti un processo di estrapolazione della posizione tramite acquisizione dell’immagine stereografica, è possibile determinare la distanza che vi è tra il carrello 1 e la posizione dei target 20 illuminati dall’illuminatore 12.

Più in dettaglio, come mostrato in figura 3, le telecamere 6 forniscono, ognuna, all’elaboratore di bordo 7, una rispettiva immagine 31, 32 in cui sono presenti delle aree 30a, 30b sostanzialmente corrispondenti a dei target 2o illuminati dall’illuminatore 12. Tali aree 30a 30b sono caratterizzate da un insieme di coordinate che vengono trasmesse ad un elaboratore remoto 8 le cui modalità di funzionamento verranno meglio descritte in seguito.

L’elaboratore di bordo 7 comunica infine con un elaboratore remoto 8, disposto tipicamente in una centrale di controllo del magazzino 100, entro il quale un apposito software:

- tramite la memorizzazione della planimetria del magazzino, è in grado di individuare gli spazi percorribili 103 dal carrello 1;

- conosce una posizione di partenza ed una posizione istantanea del carrello 1;

- si occupa della gestione delle merci 102 del magazzino;

- è in grado di definire il punto di destinazione e di calcolare il percorso verso il quale il carrello 1 dovrà muoversi essendo a conoscenza della suddetta posizione istantanea del carrello 1 e degli spazi percorribili.

Più in dettaglio l’elaboratore di bordo 7 può essere un generico computer o un sistema hardware dedicato alla ricreazione dell’ambiente circostante il carrello 1. Tramite una pluralità di operazioni di elaborazione delle immagini trasmesse dalle telecamere 6 l’elaboratore di bordo 7 rappresenta in formato vettoriale il luogo di lavoro in cui si muove il carrello 1.

La connessione tra l’elaboratore di bordo 7 e l’elaboratore remoto 8 avviene, secondo la forma di realizzazione preferita dell’invenzione, con un sistema di trasmissione di dati numerico senza fili. Più in dettaglio la suddetta trasmissione dati viene effettuata via radio e, pertanto, il carrello 1 comprende inoltre una antenna 9 elettricamente connessa con l’elaboratore di bordo 7, mentre l’elaboratore remoto 8 è a sua volta elettricamente connesso con una antenna base 10.

La trasmissione di dati via radio è preferibile ad altri tipi di trasmissione senza fili, quali ad esempio quella ad infrarossi o quella ottica, in quanto è noto che i sistemi di trasmissione radio possono integrare mezzi atti a elaborare il segnale trasmesso e ricevuto in modo tale da garantirne una maggiore immunità a disturbi e rumore di fondo (siano essi naturali o artificiali) in modo da garantire maggiormente una procedura di scambio di dati esente da errori di ricezione.

Per migliorare le prestazioni di navigazione del carrello 1 entro l’ambiente del magazzino 100, il carrello 1 è infine dotato di un sistema di navigazione di tipo inerziale. Tale sistema è sostanzialmente basato su misure di accelerazione sia lineare che angolare ed è preferibilmente impiegante un sensore di tipo MEMS 13.

In dettaglio il sensore di tipo MEMS 13 presenta una pluralità di accelerometri pari al numero di gradi di libertà di moto del carrello 1, la cui posizione è ottenuta sostanzialmente tramite un’operazione di integrazione matematica delle misure di accelerazione elaborate dal sensore 13.

L’elaboratore di bordo 7, sulla base dei parametri dell’ambiente del magazzino 100 intorno al carrello 1, invia dei segnali elettrici atti ad azionare degli organi di movimentazione 11 (motori cannelli alle ruote o sistemi di sterzatura delle stesse) del carrello 1; in dettaglio l’invio di segnali elettrici da parte dell’elaboratore di bordo 7 viene effettuato preferibilmente attraverso uno o più cavi di trasmissione di segnale 7a (mostrati in figura 2) o – alternativamente – attraverso una comunicazione via radio.

In particolare il carrello 1 viene fatto muovere dai segnali inviati dall’elaboratore di bordo 7 in due modalità operative differenti.

Una prima modalità operativa, in cui il carrello si muove in modo veloce e sostanzialmente in lineare retta per un certo tratto di magazzino. Nella prima modalità operativa, le telecamere 6 riprendono l’ambiente circostante ad un primo intervallo di campionamento (frame rate) ts1e ad una prima risoluzione r1(definita come numero di righe per numero di colonne di pixel dell’immagine ripresa dalla telecamera 6) piuttosto bassa, in modo da prediligere la velocità di elaborazione delle immagini acquisite rispetto al dettaglio di visualizzazione ritrovabile nelle immagini stesse.

Una seconda modalità operativa, è invece caratterizzata da un movimento lento del carrello 1 ed è utilizzata allorché il carrello curva o si avvicina nei pressi del punto di destinazione nel quale preleva le merci. Nella seconda modalità operativa, le telecamere 6 riprendono l’ambiente circostante ad un secondo intervallo di campionamento ts2sostanzialmente maggiore del primo intervallo di campionamento ts1della prima modalità operativa, così come la risoluzione r2dell’immagine acquisita dalle telecamere 6 è maggiore della risoluzione r1dell’immagine acquisita dalle telecamere 6 nella prima modalità operativa. Infatti, nella seconda modalità operativa si predilige la precisione della stima del posizionamento del carrello 1 rispetto alla velocità con la quale può essere elaborata l’immagine acquisita dalle telecamere 6.

In una prima fase di installazione del sistema, una volta disposti i target 20 all’interno del magazzino 100 si procede, tramite un dispositivo 21 di programmazione portatile, ad una programmazione dei target 20 e, tramite i sistemi precedentemente descritti e montati a bordo del carrello 1 se ne identifica la posizione, la quale viene poi inviata all’elaboratore remoto 8 per l’acquisizione.

A questo punto, una volta ottenuto il modello del magazzino 100 si compilano le proprietà di ciascuna area del magazzino 100 su un software dell’elaboratore remoto 8: codice e posizione delle merci, aree e velocità di transito del carrello 1.

I vantaggi della presente invenzione sono chiari dalla descrizione che precede. In dettaglio, il carrello descritto non necessita di guide fisse insalate nel suo percorso e , conseguentemente, permette l’utilizzo di più sistemi nello stesso ambiente di magazzino 100 riducendo i tempi di movimentazione della merce.

Inoltre, l’assenza di particolari strutture montate in modo fisso nel suolo del magazzino 100 garantisce una notevole flessibilità nel caso di cambiamento del layout o della planimetria. Infatti è sufficiente in questo caso solamente una modifica del luogo di lavoro del carrello 1, che deve essere ricostruito in forma vettoriale e salvato nei sistemi di elaborazione, e un riordino dei target di identificazione del percorso.

Giacché le telecamere 6 del carrello 1 operano su un intervallo di frequenze sostanzialmente coincidente con quello dell’infrarosso, e siccome il carrello 1 è dotato di almeno un illuminatore attivo all’infrarosso 12, esso è in grado di muoversi in modo immune alle tradizionali problematiche di scarsa luminosità ed è altamente immune al rumore ottico che eventualmente risulta presente all’interno del magazzino 100 e può inficiare i tradizionali sistemi di navigazione di carrelli a guida automatica.

Infine la presenza di due differenti modalità di progressione, nella fattispecie una prima più lenta ed una seconda più veloce, permette di rendere maggiormente efficiente il carrello 1 in termini di tempo di percorrenza del suo percorso e – altrettanto – in termini di accuratezza e precisione di posizionamento rispetto ai target.

Quanto fin qui descritto relativamente al sistema secondo la presente invenzione è relativo ad una forma di realizzazione preferita e non limitativa, che può essere caratterizzata da numerose varianti e modifiche, tutte incluse entro il medesimo concetto inventivo. La forma del carrello, la disposizione dei target e delle telecamere, nonché la forma ed altezza della torretta del carrello possono variare da quanto descritto e raffigurato a seconda della destinazione d’uso e delle condizioni operative del sistema.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di guida a infrarossi per carrelli (1) a guida automatica atti a movimentare merci muovendosi in aree libere (103) di un magazzino (100); il sistema comprende: - una pluralità di mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) disposti su detto carrello (1) ed atti ad individuare raggi infrarossi all’interno del detto magazzino (100); - un sistema di elaborazione (7), disposto sul detto carrello (1) ed atto a elaborare dati trasmessi da detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) a detto sistema di elaborazione (7); ed è caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) ricevono un segnale infrarosso proveniente da una pluralità di emettitori (20) disposti all’interno del detto magazzino (100) e dal fatto che detto sistema di elaborazione (7) scambia dati per la movimentazione del detto carrello (1) con degli organi di movimentazione (11) del carrello (1) atti a imprimere un movimento a detta pluralità di mezzi di locomozione (4) del detto carrello (1).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre almeno un dispositivo di emissione di raggi infrarossi (12), disposto su detto carrello (1); detto dispositivo di emissione di raggi infrarossi (12): - ricevendo un segnale elettrico da detto sistema di elaborazione (7); - essendo atto ad indirizzare un fascio di raggi infrarossi rivolto verso detti emettitori (20).
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detti emettitori (20) sono di tipo passivo, e sono sostanzialmente costituiti da un materiale riflettente o assorbente raggi infrarossi.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detti emettitori (20) sono di tipo attivo e comprendono almeno un trasmettitore di raggi infrarossi, atto a trasmettere detti raggi infrarossi allorché attivato da datti dispositivi di emissione di raggi infrarossi (12) presenti su detto carrello (1).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui un sistema di navigazione inerziale (13) è installato su detto carrello (1); detto sistema di navigazione inerziale (13) scambia dati con detto sistema di elaborazione (7) ed fornisce misure di accelerazione del carrello (1) durante il suo movimento; il detto sistema di navigazione inerziale (13) comprende sensori di accelerazione di tipo MEMS. 7. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di elaborazione (7) comanda detto organi di movimentazione (11) del carrello (1) in una prima e in una seconda modalità operativa; - detta prima modalità operativa, in cui il carrello (1) si muove in modo veloce e sostanzialmente in linea retta ed in cui detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) acquisiscono immagini numeriche ad un primo intervallo di campionamento (ts1) e ad una prima risoluzione (r1); - una seconda modalità operativa, in cui il carrello (1) curva o si avvicina nei pressi di un punto di destinazione del percorso ed in cui detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) acquisiscono immagini numeriche ad un secondo intervallo di campionamento (ts2) sostanzialmente maggiore del primo intervallo di campionamento (ts1) della prima modalità operativa, e ad una risoluzione (r2) maggiore della risoluzione (r1) dell’immagine acquisita dai detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi 6 nella prima modalità operativa. 8. Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un elaboratore remoto (8), posizionato al di fuori del detto carrello (1), atto a definire almeno un punto di destinazione ed un percorso (102) lungo il quale si sposta il detto carrello (1); detto elaboratore remoto (8) scambiando dati con detto sistema di elaborazione (7) tramite un collegamento radio reso possibile da una coppia di antenne (9, 10). 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui detto elaboratore remoto (8) calcola la traiettoria che deve essere seguita dal carrello (1) sulla base dei dati trasmessi da detti mezzi di rilevazione di raggi infrarossi (6) a detto sistema di elaborazione (7).