MXPA02000851A - Un sistema para navegacion vehicular relativa. - Google Patents

Abstract

Un medio para hacer navegar, sin infraestructura de localización o control externo, un vehículo autónomo a lo largo de una trayectoria que estáconfinada por paredes que están dentro del rango de los sensores a bordo mediante la determinación de la localización y orientación relativas de las paredes con respecto al vehículo, comprendiendo este medio un elemento para controlar el vehículo, el cual incluye establecer elángulo de dirección y la velocidad en tierra, sin hardware que comprenda localización, y medios para:(a) utilizar los datos del rango para establecer el espacio libre enfrente del vehículo;(b) usar los contornos activos (o culebras) para generar una trayectoria deseada;(c) usar sugerencias de conducción para guiar a la culebra, por ejemplo, a lo largo de arcos yáreas abiertas;y/o (d) usar sugerencias de dirección para confinar la culebra a un dominio específico de espacio libre, por ejemplo en las intersecciones;y (e) usar la trayectoria deseada para generar la demanda de dirección y la velocid

Description

UN SISTEMA PARA NAVEGACIÓN VEHICULAR RELATIVA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención está relacionada con un sistema para la navegación vehicular relativa, y particularmente está relacionada con dicho sistema para utilizarse en túneles o pasajes subterráneos, por ejemplo, una mina subterránea, y para controlar el movimiento de vehículos. La invención será descrita haciendo referencia a vehículos para mina operados remotamente en una mina subterránea, pero se deberá apreciar que la invención no necesita limitarse a esta modalidad.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA El ambiente de las minas subterráneas no está estructurado en un sentido robótico pero sí altamente estructurado de manera topológica. Consiste de trayectorias bien definidas (túneles con paredes), intersección, montones de mineral arrancado y chimeneas para mineral. La navegación de un vehículo en dicho ambiente puede compararse con la tarea de una carrera rally, en donde la navegación del vehículo es compartida entre el conductor y el navegador. El conductor está interesado simplemente en mover el vehículo hacia delante y mantenerse en el camino, mientras que el navegador utiliza notas de paso para secuenciar su atención en cuanto a puntos de referencia, y proporcionar instrucciones al conductor acerca de la trayectoria que deberá tomar en las intersecciones. Para poder manejar exitosamente, no existe la necesidad de datos de ubicación precisos absolutos. El único momento en el cual es necesaria la ubicación del vehículo es en las intersecciones donde se debe tomar una decisión. Afortunadamente, la misma naturaleza de estas intersecciones las hace fáciles de identificar (acopladas con datos de odometría y suposiciones del mapa) y es posible determinar de manera confiable la posición del vehículo con respecto a la geometría de la intersección. La ventaja de este enfoque es que es muy tolerante a: cambios dentro del ambiente; funcionamientos de maquinaria, es decir, cambio de neumáticos y pesos; e inicialización imprecisa y construcción de mapas. La interacción entre el conductor y el navegador se muestra en la Figura 1. Los sistemas de navegación tradicionales se basan en un cuadro de referencia absoluto en donde la posición del vehículo se define en términos de distancia con respecto a un cuadro externo de referencia. Este sistema será denominado como el Sistema de Navegación Absoluta (ANS). En muchas situaciones, donde la trayectoria del vehículo es restringida por una pared, un enfoque mucho más adecuado es un sistema de navegación en base al cuadro relativo de referencia. Este sistema será denominado como el Sistema de Navegación Relativo (RNS). La Figura 2 ilustra la diferencia principal entre el ANS y el RNS. En el ANS existe una trayectoria predeterminada, en términos del sistema de coordenadas externas, seguirá el vehículo. Si el vehículo se pierde en la trayectoria (por alguna desviación) entonces se aplica una corrección de trayectoria local al vehículo. En el RNS, no existe una trayectoria pre-definida, solo algún destino distante. La trayectoria deseada del vehículo es una trayectoria local que es generada para evitar que el vehículo choque contra las paredes. Aunque este sistema puede generar una "trayectoria de vehículo similar", los sistemas de control utilizados para generar estas trayectorias son bastante diferentes. La Figura 3 ilustra un control, de vehículo que utiliza el ASNS. Este sistema requiere un mapa y una trayectoria global. El mapa contiene la posición de puntos de referencia utilizados para ayudar a establecer la ubicación del vehículo. La ubicación se logra comparando los puntos de referencia en el mapa de mina con datos de los detectores de posición (por ejemplo, la posición de las balizas reflectivas) y fusionando esta información con el simple reconocimiento. Los detectores de posición pueden ser balizas reflectivas que necesitan colocarse en posiciones conocidas en la mina. La trayectoria global es un conjunto de puntos, con respecto al cuadro de coordenadas externas, que define una trayectoria predeterminada a través de la mina. La planeación de trayectoria local se logra comparando donde estamos (x,y) con donde deberíamos estar (x',y'). Esto nos dice a donde queremos ir. La corrección (dx.dy) se alimenta en un modelo cinemático, que se acopla con el estado del vehículo (aceleración, velocidad) para calcular un cambio en la dirección (da) y la velocidad (dv). El ANS es efectivamente ciego - el control del vehículo es inferido desde la posición del vehículo, en lugar de lo que los detectores le dicen acerca del ambiente. Si existe algún error en la localización entonces es bastante posible que el vehículo choque contra alguna pared. Es un objeto de la presente invención proporcionar un medio para guiar un vehículo en un ambiente subterráneo que no se base en un ANS. En una forma, la invención reside en un medio de navegación (Diccionario IEEE: "y el proceso de manejar un vehículo para alcanzar el destino pretendido"), sin instrucciones de localización (esto hace referencia a la infraestructura que es adicionada al ambiente externo para ayudar a localizar el vehículo; puede incluir balizas activas y pasivas) o control externo, un vehículo autónomo a lo largo de una trayectoria que es confinado por paredes (la pared no necesita ser real; puede ser conceptual - es simplemente un límite entre adonde puede ir el vehículo y adonde no puede ir) que se encuentre dentro del rango de detectores abordo determinando la orientación y ubicación relativa de las paredes con respecto al vehículo, los medios comprenden: Medios para controlar el vehículo (fijar el ángulo de dirección y la velocidad de tierra si un hardware que comprende localización y medios para: (a) utilizar datos de rango para establecer un espacio libre enfrente del vehículo, (b) contornos activos (o culebras) para generar una trayectoria deseada, (c) utilizar sugerencias de manejo para guiar la culebra, por ejemplo a lo largo de arcos y áreas abiertas,, y/o (d) utilizar sugerencias de direccionamiento para confinar la culebra a una dominio específico de espacio libre, por ejemplo en las intersecciones, y (e) utilizar la trayectoria deseada para generara demanda de dirección y velocidad. En una forma amplia la invención reside en un método para navegar un vehículo, el método comprende crear contornos activos (o culebras) para generar una trayectoria deseada para el vehículo, utilizar sugerencias de manejo para guiar la culebra y/o utilizar las sugerencias de manejo para confinar las culebras a un dominio específico de espacio libre. Los datos de rango pueden generarse de detectores a bordo que emiten o reciben radiación electro-magnética/ultrasónica para determinar el rango y evitar las paredes. Los contornos activos para generar la trayectoria deseada pueden ser tales que: i. la trayectoria deseada debe evitar paredes y de preferencia minimizar las curvaturas. ii. la longitud y tiesura de la culebra es una función del vehículo y su estado. iii. la "energía" de la culebra es una función definida de la proximidad con las paredes y su curvatura, iv. si la "energía" excede un límite predefinido, la velocidad del vehículo se reduce y si la "energía" continúa excediendo límite para un tiempo/distancia predeterminados el vehículo se detiene. Las sugerencias de manejo para guiar la culebra a lo largo de arcos y áreas abiertas pueden: i. modificar la velocidad de acuerdo con la curvatura local y los límites de velocidad recomendados. ii. adicionar un término "energía de gradiente potencial" para desviar la posición de la culebra (es decir, mantenerla a la izquierda). Las sugerencias de manejo para guiar la culebra pueden ser tales que: i. los rieles radiales son generados enfrente del vehículo. ii. los rieles son segmentados en bandas por la topología del espacio libre. ¡ii. bandas apropiadas se seleccionan por sugerencias de manejo, y iv. los vértices de la culebra se ajustan a las bandas seleccionadas. La trayectoria deseada para generar demanda de manejo y velocidad pueden comparar los radios de curvatura del vehículo, con los radios de curvatura de la trayectoria . En otra forma la invención reside en un medio para localizar el vehículo sin infraestructura de localización que comprende: (a) un medio para establecer la posición de inicio, (b) utilizar el simple reconocimiento (velocidad de tierra , INS , etc.) para calcular la posición del vehículo, (c) utilizar datos de rango para encontrar la topología del espacio libre enfrente del vehículo, (d) identificar cambios en la topología como puntos de referencia (nodos) , (e) concordar los nodos con el mapa nodal para actualizar la posición del vehículo, (f) utilizar conocimiento de posición y ma pa nodal para pasar las sugerencias de manejo al control del vehículo, (g) utilizar conocimiento de posición y trayectoria nodal para pasar las sugerencias de manejo al control del vehículo. El simple reconocimiento puede ser tal que: i. la posición del vehículo se define como la distancia aproximada al siguiente nodo. ii . la posición del vehículo se vuelve a establecer una vez que un nodo ha sido pasado. g Los datos de rango para encontrar la topología del espacio libre enfrente del vehículo pueden ser tales que: i. descentrar y re-escalar los datos al centro frontal del vehículo. ii. unificar y volver a muestrear los datos de rango. iii. generar contornos de puntos con separaciones iguales. La identificación de cambios en la topología como puntos de referencia (nuevos) pueden comprender: i. esquematizar el espacio libre. li podar ramificaciones que son insignificantes. iii. etiquetar las intersecciones restantes como nodos. La concordancia de estos nodos con el mapa nodal para actualizar la posición del vehículo puede comprender: i. ignorar nodos que no se esperan (del mapa nodal y la posición). ii. concordar en base al radio mínimo, energía, y conectividad. El uso del conocimiento de posición y del mapa nodal para pasar las sugerencias de manejo al control de manejo, puede incluir, velocidad máxima, gradiente, curvatura y perfil de pared. El uso del conocimiento de la posición y la trayectoria nodal para pasar las sugerencias de manejo al control del vehículo pueden incluir: i. la trayectoria nodal que contiene una lista de nodos por los cuales debe pasar el vehículo; ii. las sugerencias de dirección consisten de virar a la izquierda, virara a la derecha, detenerse, etc. En otra forma, la invención reside en la creación de un mapa nodal que contiene: (a) posición de números de referencia (nodos topológicos, intersecciones), (b) relación topológica entre nodos (distancia, curvatura, etc.), (c) la naturaleza del arco que conecta los nodos (sugerencias de manejo, (d) un medio en donde el mapa nodal de la trayectoria pretendida y las características son determinadas por el manejo del vehículo a lo largo de la trayectoria pretendida, registrar y procesar los datos de todos o cualquiera de los detectores antes mencionados y almacenar el mapa nodal a lo largo de las características de identificación de los nodos en memoria.

La naturaleza del arco que conecta los nodos puede ser tal que: i. responde a las limitaciones físicas (es decir, gradiente). ii. mejora el rendimiento del vehículo. iii. responde a las condiciones inusuales/peligrosas, es decir, perfil de pared. iv. dichas sugerencias dependerán de la dirección del viaje. Los medios donde un mapa nodal de la trayectoria pretendida y las características son determinados manejando el vehículo a lo largo de la trayectoria pretendida, registrar y procesar los datos obtenidos de todos o cualquiera de los detectores antes mencionados y almacenar el mapa nodal junto con las características de identificación de los nodos en memoria pueden comprender: i. un medio donde se utiliza el método de simple reconocimiento para calcular la posición relativa de los nodos a lo largo de la pista pretendida ya sea en la dirección hacia delante o hacia atrás con respecto al vehículo. ii. un medio donde los datos para encontrar el rango se utilizan para generar una representación de las paredes de túnel en la mina.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Varias partes de la invención serán descritas con referencia a los siguientes dibujos en los cuales: La Figura 1 ilustra una estructura de bloque de un sistema de navegación de vehículo relativa. La Figura 2 ilustra una navegación relativa y absoluta. La Figura 3 ilustra un control de vehículo con un sistema de navegación absoluta La Figura 4 ilustra un control de vehículo con un sistema de navegación relativa. La Figura 5 ilustra un ejemplo de un mapa nodal y una trayectoria nodal. La Figura 6 ilustra las geometrías de túnel posibles en donde el seguir una línea media es inapropiado. La Figura 7 ilustra el seguimiento de una pared con culebras. La Figura 8 ilustra el virado con culebras. La Figura 9 ilustra la esquematización del espacio libre enfrente de un vehículo. La Figura 1 0 ilustra un diagrama de bloque del hardware requerido para automatizar un vehículo. La Figura 1 1 ilustra una interfaz de usuario gráfica , usando un esquema y una culebra en la intersercción Y. La Figura 12 ilustra una vista lateral de un LHD, mostrando detectores de lazos. La Figura 1 3 ilustra una vista elevada del LHD, mostrando cajas de computadoras.

MEJOR MODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN El control de vehículo bajo RNS (ver Figura 4) requiere un mapa nodal y una trayectoria nodal (ver Figura 5). Aunque el mapa nodal es similar al mapa de mina del ANS, por que contiene información acerca de la posición de los puntos de referencia en la mina, también contiene información acerca de la topología relativa entre los puntos de referencia y las sugerencias de manejo. La posición de estos puntos de referencia solo necesita ser aproximada. Por esta razón son denominados como nodos, y la red de nodos es denominada como mapa nodal. La trayectoria nodal del vehículo entonces es definida como una lista de nodos por los cuales debe pasar el vehículo. El vehículo es controlado haciendo cambios en el direccionamiento y en la velocidad para evitar que el vehículo choque contra las paredes. Las paredes se pueden ver por detectores a bordo. La posición absoluta del vehículo no es crítica para dicho control, solo la posición relativa del vehículo con respecto a las paredes. La posición global del vehículo se calcula desde un simple reconocimiento hasta un reconocimiento por nodos. Este reconocimiento se utiliza para influenciar el comportamiento del control del vehículo a través de las sugerencias (es decir, estrategias de manejo y para virar). Con RNS, el vehículo es controlado por el espacio libre actual enfrente del vehículo. En esta situación, el vehículo puede moverse sin ningún conocimiento de la posición global del vehículo. Aunque dicho conocimiento puede ser redundante, no es irrelevante. Sin dicho conocimiento, el vehículo no puede escoger la trayectoria apropiada en una intersección. Además, el conocimiento de la posición del vehículo permite que el vehículo opere a velocidades más altas (o más bajas) que el espacio libre recomendaría (es decir, en curvas largas o terrenos no uniformes). La división entre el control y la localización, subraya una de las diferencias principales entre ANS y RNS. En ANS, el control del vehículo solo puede lograrse después de que se ha establecido la ubicación absoluta del vehículo. Las dos rutinas se unen, son asincronas. El vehículo no puede controlarse si existe un problema con la localización. En muchas situaciones, la tarea de localizar puede ser muy difícil. Puede ser muy costosa computacionalmente (toma mucho tiempo) y para hacerla robusta requiere de una cantidad excesiva de información redundante. Para mejorar la confiabilidad de encontrar los puntos de referencia, se adiciona infraestructura al ambiente (por ejemplo, balizas receptoras). En RNS donde el control de vehículo y la localización han sido "desacoplados", el control del vehículo puede operar independientemente, y a una amplitud de banda mucho más alta que la localización. Esta es una característica deseable para vehículos autónomos. En la práctica, el control de vehículo se realiza a una alta amplitud de banda y se ve como un proceso de bajo nivel, mientras que la localización es el proceso de alto nivel que puede realizarse a una amplitud de banda mucho más baja. Ya que la localización es crítica para el control del vehículo, su confiabilidad y robustez es menos importante. De este modo, puede no ser necesario utilizar ninguna infraestructura de localización. De hecho, es posible utilizar características naturales como intersecciones o esquinas como puntos de referencia. En particular, las características de topología de espacio libre enfrente del vehículo son puntos de referencia excelentes. Por supuesto ya que el RNS se basa en la existencia de paredes para controlar el vehículo, este no puede "navegar" en espacio abierto. En una modalidad el mapa nodal es una gráfica matemática que comprende nodos y ramificaciones (ver a la izquierda de la Figura 5).

La trayectoria nodal puede definirse como una lista de nodos por los cuales debe pasar el vehículo (ver a la derecha de la Figura 5). Por ejemplo, y haciendo referencia a la Figura 5, considere el plan para viajar desde el Nodo A al Nodo G, por medio de los nodos B, E y F. para navegar estas trayectorias es necesario tomar decisiones solo en los puntos B, E y F. en una implementación de computadora que comprendería estructura de datos multi-enlazados. Las estructuras de datos que representan ramificaciones y nodos serían reticuladas. Una tabla a cuadros se utilizaría para dibujar los nodos textuales en un mapa y los nombres de las ramificaciones en la estructura de datos. El mapa nodal puede construirse a partir de un mapa físico de la mina, o puede construirse manejando el vehículo a lo largo de la trayectoria pretendida, registrando y procesando los datos de los detectores a bordo. Cada nodo contiene lazos y ángulos para conectar ramificaciones, mientras que cada segmento de ramificación contiene: la longitud de la ramificación, enlaces a tanto nodos de cabeza como de cola y sugerencias de manejo. Estas sugerencias pueden incluir: una velocidad máxima recomendada, curvatura, gradiente, y estrategias que siguen la pared. Estas estrategias son necesarias para lidiar con perfiles de túnel iniciales, como aquellas usadas en la Figura 6. Las estrategias pueden incluir: seguir pared izquierda, seguir pared derecha, seguir línea central, etc. La curvatura puede ser útil como una señal de alimentación hacia delante para el manejo. Las sugerencias pueden también ayudar en la segmentación/interpretación de los datos de detectores externos (es decir, reconocimiento de nodos). La tarea del módulo anejador (lado izquierdo de la Figura 1) es controlar el vehículo, para moverlo hacia delante a través de la línea sin chocar contra las paredes y evitar obstáculos. El módulo manejador no requiere conocimiento de la ubicación del vehículo con respecto a un cuadro de coordenadas locales. El módulo de control está proporcionado con dos demandas del módulo de Seguir Pared: velocidad (v) y ángulo de manejo (a). Un modelo dinámico del vehículo y el estado del vehículo actual son requeridos para convertir esta demanda a control de vehículo. La tarea del módulo de Seguir Pared (ver Figura 1) es generar un ángulo de dirección (a) para evitar que el vehículo choque contra la pared con respecto a las paredes inmediatas dentro de la mina. Una analogía es una ruta de autobús guiado en donde en lugar de los neumáticos de hule al lado del autobús, un rayo láser mantiene el vehículo sobre la pista. En una modalidad, una trayectoria de vehículo deseada necesita ser construida. Esto puede hacerse con contornos activos (llamados culebras). Una culebra es un conjunto de puntos (vértebras) que definen una línea, o estría (ver Figura 7). La posición de cada vértebra se determina iterativamente minimizando la energía de la culebra. La culebra tiene tres términos de energía: externa, interna y potencial. En este caso, su energía externa se manifiesta a sí misma como una fuerza de repulsión entre los nodos de la culebra y la pared. La energía interna se manifiesta a sí misma en función de la curvatura de la culebra. La longitud total de la culebra es una función de la velocidad del vehículo, y su tiesura una función del círculo de virado máximo del vehículo. Se adiciona Una función de energía potencial para responder a las sugerencias suministradas del navegador (es decir, mantener la izquierda). Para controlar los giros, la culebra puede ser excluida de regiones de espacio (ver Figura 8). Esto se hace con las sugerencias del navegador (es decir, virar a la izquierda). Es importante notar que no existe un fuera de lugar en esta representación. Esto difiere del ANS debido a que la trayectoria de vehículo deseada es generada con relación a la posición actual del vehículo. Esto ocurre debido a que la "cola" de la culebra está fija a la posición actual del vehículo. Esta técnica tiene un efecto secundario adicional, porque la energía de la culebra está relacionada de alguna manera con la dificultad de la trayectoria (es decir, ya sea la alta curvatura o la alta energía externa donde las paredes están muy cerca). En cualquier caso esta energía puede utilizarse por el conductor para disminuir la velocidad del vehículo. De hecho, la posibilidad de choque puede verificarse manteniendo un registro de la culebra. En la práctica, si las culebras no están bien restringidas pueden convertirse en inestables. Para mejorar la estabilidad y la robustez del algoritmo de culebra, la modalidad preferida de esta rutina es con rieles radiales fijos. En este método, cada vértebra de la culebra se coloca en un "riel" diferente que es una distancia fija de la parte frontal del vehículo (es decir 1m a 5m). Cada vértebra entonces está libre para moverse a la izquierda o a la derecha a lo largo del riel. Además, dado lo que se conoce acerca del espacio libre enfrente del vehículo es posible generar bandas, que define la posición de límite superior y límite inferior de las vértebras. De este modo, dadas las sugerencias del navegador es posible seleccionar una banda para virar (es decir, banda izquierda, banda derecha). La tarea del módulo Navegador (ver lado derecho de la Figura 1) es suministrar al módulo de Seguir Pared con instrucciones y sugerencias deseadas en una trayectoria nodal. Para hacer esto, el navegador debe de ser capaz de calcular la posición del vehículo (módulo de Localización). En la representación nodal, la posición del vehículo es descrita por el nombre de la ramificación actual, y la distancia al siguiente nodo. Se puede calcular a partir de: 1. Simple reconocimiento - determinar la posición del vehículo con respecto a su posición en un diferente tiempo mediante la aplicación de vectores que representan el curso y la distancia. 2. Reconocimiento del nodo - ser capaz de reconocer la identidad de un nodo (punto de referencia) de las características externas enfrente del vehículo - de este modo proporcionando un cálculo de la distancia al nodo. La tarea de reconocimiento de nodo se hace más simple por el hecho de que: 1. Los nodos ocurren en una secuencia conocida (por ejemplo A enseguida B, enseguida E etc, etc.). 2. El vehículo tiene una suposición del siguiente nodo que será encontrado. 3. El hecho de que se necesita tomar decisiones en estos puntos implica que la geometría en estos puntos es suficientemente rica para ser identificada de los datos del detector externo (aunque podrían identificarse por algún señalizador activo o pasivo). Por ejemplo, si se esperara una unión en forma de T entonces el software de reconocimiento de nodulo estaría "buscando" una disminución en la distancia de trayectoria libre delante del vehículo. Si se esperara una ramificación hacia la izquierda, el software de reconocimiento de nuevo estaría "buscando" reflexiones de láser de puntos a la izquierda de la pared izquierda calculada actualmente. Una vez que el vehículo ha identificado un nodo y es confidente del punto de dato preciso (en base a las características medidas y al láser) y la posición del vehículo con respecto al dato, entonces se puede restablecer la odometria lista para la siguiente ramificación. Una vez que se ha virado a la derecha, una nueva ramificación se selecciona y el algoritmo del software de reconocimiento de nodo empieza a buscar el siguiente nodo. La identificación de nodos (puntos de referencia) en base a los datos de rango puede confundirse por ruido y cambios en la orientación. Para mejorar la robustez de esta identificación, la modalidad preferida de esta rutina es con un algoritmo de formación de esquemas. Este es un algoritmo de proceso de imagen claro que reduce una forma bidimensional en una curva con ta misma homotopía (ver Figura 9). El esquema es un factor de forma poderoso para el reconocimiento de características debido a que contiene tanto información topológica como métrica. Los valores topológicos incluyen el número de puntos finales y el número de nodos donde se juntan las ramificaciones. Los valores métricos entonces son la longitud promedio de las ramificaciones y los ángulos de las ramificaciones. Esto estrechamente duplica las características en el mapa nodal. Una de las mejores características de reconocimiento es el radio del nodo - la distancia desde el nodo hasta la pared más cercana. Se ha encontrado que los nodos finales pueden podarse de manera segura si su radio traslapa su nodo padre. Un método para implementar el sistema de acuerdo con la invención es instalarlo con un sistema de control de vehículo teleoperado existente. Un sistema de tele operación típico requiere un operador humano para controlar el vehículo desde un lugar remoto por medio de un sistema de control remoto de radio convencional. Las imágenes de vídeo de las cámaras montadas en el vehículo se utilizan por el operador para guiar el vehículo. El operador puede controlar todas las funciones de vehículo necesarias utilizando palancas de mando e interruptores asociados. Los comandos de control se transmiten desde un transmisor de radio hasta el receptor montado en el vehículo (ver Figura 10). En esta configuración, el control del vehículo puede intercambiarse entre la tele operación (implícito) y automatización. Esta impfementactón tiene un número de ventajas: 1. Solo existe un punto de control. 2. Ya existe todo el hardware necesario para controlar el vehículo. 3. Se pueden utilizar los sistemas de seguridad construidos en los sistemas de operación. 4. El vehículo puede cambiarse de regreso al modo de tele operación. Este último punto es muy útil durante los arreglos. Significa que el vehículo puede controlarse remotamente para operaciones que no han sido automatizadas (por ejemplo, cavar), y el vehículo puede recuperarse sí el sistema de automatización falla. En este enfoque, un sistema automatizado trabaja duplicando los comandos que normalmente serían utilizados por un operador humano. Esto puede hacerse de dos maneras: 1. No a bordo: duplicar los comandos de radio de la palanca de mando. 2. A bordo: desviar el receptor de radio y comunicarse con los transductores y activadores de tele operación (por ejemplo, válvulas solenoides). La automatización se logra examinando los datos de los detectores, ya sean imágenes de una cámara de TV o datos de rango de exploradores de láser. Para poder realizar la automatización no a bordo es necesario que todos estos datos de detector sean transmitidos sobre RF (Radio Frecuencia). Desafortunadamente, el ambiente subterráneo es un ambiente muy deficiente para RF, y de este modo, la amplitud de banda para dicha información es muy baja. Ya que, una gran cantidad de datos es necesaria para navegar un vehículo a alta velocidad, una solución es colocar el sistema de automatización a bordo. Para que el vehículo sea completamente autónomo, todo el software y hardware necesario para la navegación debe residir en el vehículo mismo. Por supuesto, por razones de control y seguridad, un enlace crítico en el control del vehículo debe ser un agente externo. En este caso, podría ser cualquier tipo de computadora (PC o portátil) que tenga contactos de radio con el vehículo (por ejemplo, un módem vía radio). Para mejorar la seguridad de dicho sistema cuando se interrumpe el contacto con este agente externo, el software en el vehículo hará que el vehículo se detenga. Adicionalmente, si el contacto de radio para el sistema de control de tele operación se pierde, el vehículo también se detendrá. Los elementos de software y hardware en este circuito de control se implementan en una configuración "a prueba de fallas". Actualmente, los cálculos necesarios para navegación se realizan por medio de procesadores Pentium de 200MHz (en tarjeta Teknor VIPer821 de medio tamaño PC/AT) conectados entre sí por medio de la Ethernet LAN (Red de Área Local). Para lograr una operación en tiempo real, el software debe instalarse en un sistema de varias tareas en tiempo real llamado LynxOS (de conformidad con posixs). El software ha sido escrito en ANSI C. Para mejorar la flexibilidad del sistema, el software ha sido desacoplado en módulos separados que se comunican vía RPC (llamadas de procedimiento remotas). Ya que las RPS's pueden hacerse a través del LAN, si se requiere más energía de procesamiento, uno o más de los módulos de software puede moverse a cualquier número de procesadores. Para llegar al desarrollo del sistema de automatización cada módulo tiene un servidor RPC asociado, que puede conectarse a un cliente Tcl/Tk, (Tcl/Tk es un idioma gráfico de escritura simple). Este cliente puede operar en cualquier computadora portátil con un sistema operativo que soporta Tcl/Tk. Un ejemplo de la interfaz de usuario gráfica (GUI) utilizada para exhibir la culebra y el esqueleto se muestra en la Figura 11, en donde el vehículo se muestra en la izquierda derecha inferior, y el área obscura representa el espacio libre enfrente del vehículo. Se generan rieles radiales en este espacio libre a intervalos de 1m. Se identifican dos trayectorias (izquierda y derecha) con la esquematización del espacio libre. La trayectoria izquierda se selecciona y la culebra es restringida a la banda izquierda de los cuatro rieles superiores (13 a 16). El arco que es etiquetado con números representa la posición de la culebra que tiene la energía mínima (curvatura y fuerza de repulsión de las paredes). Aunque la desviación de pared no se utiliza en este ejemplo, hubiera sido útil cambiar la trayectoria a la izquierda, a "abrazar" la pared izquierda. Una vista lateral del LHD se muestra en la Figura 12, mostrando la posición del Erwin SICK PLS's (Láser de Rango de Exploración) frontal y trasero. Tienen un rango de 50m, con una resolución angular de 0.5 grados y un ángulo de exploración de 180 grados a 25 Hz. La comunicación con los CPU's es sobre una interfaz serial que corre a 500 baudios por medio de un procesador dedicado 68360. En un modelo de producción estos lásers se descienden en cajas protectoras. Una vista elevada dei LHD se muestra en la Figura 13, mostrando la posición de las dos computadoras, y los suministros de energía variados, etc. En un modelo de producción, la mayoría de estos componentes pueden empacarse en una sola caja. Se deberá apreciar que varios cambios y modificaciones pueden hacerse a las modalidades descritas sin alejarse del espíritu y alcance de la invención.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un medio para navegar, sin infraestructura de localización o control externo, un vehículo autónomo a lo largo de una trayectoria que es confinada por paredes que están dentro de un rango de detectores a bordo determinando la ubicación y orientación relativa de las paredes con respecto al vehículo, los medios comprenden medios para controlar el vehículo incluyendo ángulos, establecimiento de ángulo de dirección y velocidad, sin hardware que comprende localización y medios para: (a) utilizar datos de rango para establecer espacio libre enfrente del vehículo, (b) utilizar contornos activos (o culebras) para generar una trayectoria deseada, (c) utilizar sugerencias de manejo para guiar la culebra, por ejemplo a lo largo de arcos y áreas abiertas, y/o (d) utilizar sugerencias de manejo para confinar la culebra a un dominio específico de espacio libre, por ejemplo, en las intersecciones, y (e) utilizar la trayectoria deseada para generar demanda de manejo y velocidad.

2. Los medios de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los datos de rango están en la forma de detectores a bordo que emiten y reciben variación electromagnética/ultrasónica para determinar el rango y evitar las paredes.

3. Los medios de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los contornos activos (o culebra) para generar la trayectoria deseada, son tales que: (a) la trayectoria deseada puede evitar las paredes y de preferencia minimizar la curvatura, (b) la longitud y tiesura de la culebra es una función del vehículo y su estado, (c) la "energía" es una función definida de la proximidad de las paredes y su curvatura, (d) si la "energía" excede un límite pre-definido, la velocidad del vehículo se reduce y si la "energía" continúa excediendo el límite para un tiempo/ distancia pre-determinado el vehículo se detiene.

4. Los medios de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las sugerencias de manejo para guiar la culebra a lo largo de los arcos y las áreas abiertas, se adaptan a: (a) modificar la velocidad de acuerdo con la curvatura local y la velocidad y los límites de velocidad recomendados, (b) adicionar un término de "energía de gradiente potencial" para desviar la posición de la culebra (es decir, mantener a la izquierda).

5. Los medios de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las sugerencias de manejo para guiar la culebra son tales que: (a) se generan rieles radiales enfrente del vehículo, (b) los rieles están segmentados en bandas por la topología del espacio libra, (c) bandas apropiadas son seleccionadas por sugerencias de manejo, y (d) las vértebras de la culebra se ajustan a bandas seleccionadas.

6. Los medios de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la trayectoria deseada para generar la demanda de manejo y la velocidad comparan el radio de curvatura del vehículo, con el radio de curvatura de la trayectoria.

7. Un medio para localizar un vehículo sin infraestructura de localización que comprende: (a) un medio para establecer la posición de inicio, (b) utilizar simple reconocimiento (velocidad de tierra, INS, etc,) para calcular la posición del vehículo, (c) utilizar datos de rango para encontrar la topología del espacio libre enfrente del vehículo, (d) identificar cambios en la topología como puntos de referencia (nodos), (e) concordar los nodos con el mapa nodal para actualizar la posición del vehículo, (f) utilizar el conocimiento de posición y mapa nodal para pasar las sugerencias de manejo, al control del vehículo, (g) utilizar conocimiento de posición y trayectoria nodal para pasar las sugerencias de manejo al control del vehículo.

8. Los medios de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el simple reconocimiento es tal que: (a) la posición de vehículo es definida como la distancia al siguiente nodo, (b) la posición del vehículo se restablece una vez que ha pasado un nodo.

9. Los medios de acuerdo con la reivindicación 8, en donde los datos de rango para encontrar la topología del espacio libre enfrente del vehículo es tal que: (a) colocar fuera de lugar y reescalar los datos en el centro frontal del vehículo, (b) unificar y volver a muestrear los datos de rango, (c) generar contornos de puntos igualmente separados.

10. Los medios de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la identificación de cambios en la topología como puntos de referencia (nodos) comprende: (a) esquematizar el espacio libre, (b) podar las ramificaciones que son insignificantes, (c) etiquetar las intersecciones restantes como nodos.

11. Los medios de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la concordancia de estos nodos con el mapa nodal para actualizar la posición del vehículo comprende: (a) ignorar los nodos que no se esperan (del mapa nodal y la posición), (b) concordar en base a un radio mínimo, la energía y la conectividad.

12. Los medios de acuerdo con la reivindicación 11 , en donde el uso de conocimiento de posición y mapa nodal para pasar las sugerencias de manejo al control de vehículo incluyen, velocidad máxima, gradiente, curvatura y perfil de pared.

13. Los medios de acuerdo con la reivindicación 12, en donde el uso del conocimiento de posición y trayectoria nodal para pasar las sugerencias de manejo al control de vehículo incluyen: (a) la trayectoria nodal que contiene una lista de nodos por los cuales debe pasar el vehículo; (b) las sugerencias de manejo que consisten de virar a la izquierda, virar a la derecha, detenerse y los similares.

14. Un mapa nodal que se utiliza con medios para localizar un vehículo sin infraestructura de localización, el mapa nodal comprende: (a) colocar puntos de referencia (nodos topológicos, intersecciones), (b) una relación topológica entre nodos (distancia, curvatura, y los similares), (c) la naturaleza del arco que conecta los nodos (sugerencias de manejo), (d) un medio donde un mapa nodal de la trayectoria pretendida y las características son determinadas por manejar el vehículo a lo largo de la trayectoria pretendida, registrar y procesar los datos obtenidos de todos o cualquiera de los detectores antes mencionados y almacenar el mapa nodal junto con las características de identificación de los nodos en memoria.

15. El mapa de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la naturaleza del arco que conecta los nodos es tal que: (a) responde a las limitaciones físicas (es decir, gradiente), (b) mejora el rendimiento del vehículo. (c) responde a las condiciones inusuales/peligrosas, es decir, perfil de pared.

16. El mapa de acuerdo con la reivindicación 15, en donde los medios donde un mapa nodal de la trayectoria pretendida y las características son determinados por el manejo del vehículo a lo largo de la trayectoria pretendida, registran y procesan los datos obtenidos de los detectores y almacenan el mapa nodal junto con las características de identificación de los nodos en memoria que comprenden: (a) un medio donde se utiliza el método de simple reconocimiento para calcular la posición relativa de los nodos a lo largo de la trayectoria pretendida ya sea de la dirección hacia delante o hacia atrás con respecto al vehículo, (b) un medio donde los datos para encontrar el rango se utilizan para generar una poli-línea de la mina.

17. Un método para navegar un vehículo, el método comprende contornos activos (o culebras) para generar una trayectoria deseada para el vehículo, utilizando sugerencias de manejo para guiar las culebras y/o utilizar las sugerencias de manejo para confinar la culebra a un dominio específico de espacio libre.