PT103807A - Sistema de recolha de bolas de golf totalmente autónomo ou remotamente operado - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM SISTEMA MOTORIZADO COM TRACÇÃO ELÉCTRICA COM VISÃO POR COMPUTADOR PARA AMBIENTES EXTERIORES, O QUAL PODE ACTUAR COM O MEIO ENVOLVENTE AUTONOMAMENTE OU TELE-OPERADO. ESTE VEÍCULO TEM ACOPLADO UM REBOQUE QUE LHE PERMITE, ENTRE OUTRAS FUNÇÕES, REALIZAR A RECOLHA DAS BOLAS DE GOLFE. O SISTEMA DE RECOLHA DE BOLAS DE GOLFE TOTALMENTE AUTÓNOMO COMPREENDE: UMA BASE (1) COM, PELO MENOS, DUAS RODAS ACOPLADAS, SENDO CADA RODA MOVIDA POR UM MOTOR INDEPENDENTE; UM SISTEMA DE VISÃO (8) COM UM NÚMERO VARIÁVEL DE CÂMARAS; UM CONJUNTO DE SENSORES - HUMIDADE, ACELERÓMETRO, BÚSSOLA, ENCODERS, TEMPERATURA, ULTRA-SONS, GPS, QUE PERMITEM OPTIMIZAR O TRAJECTO DO SISTEMA; UMA UNIDADE DE PROCESSAMENTO PARA AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE IMAGEM; UMA UNIDADE DE PROCESSAMENTO CONTÍNUO DE DADOS DOS SENSORES E CONTROLO DOS MOTORES; UM ATRELADO COM DISPOSITIVO MECÂNICO DE RECOLHA DE BOLAS (3) E DEPÓSITO DE BOLAS (2) COM SISTEMA DE ABERTURA AUTOMÁTICA (4) PARA UM CAIS DE DESCARGA (14); E UMA UNIDADE DE BATERIAS RECARREGÁVEIS ATRAVÉS DE PÓLOS EXTERNOS.

Description

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DESCRIÇÃO

"SISTEMA DE RECOLHA DE BOLAS DE GOLFE TOTALMENTE AUTÓNOMO OU REMOTAMENTE OPERADO"

Domínio Técnico A presente invenção diz respeito a um sistema motorizado com tracção eléctrica com visão por computador para ambientes exteriores, o qual pode actuar com o meio envolvente autonomamente ou tele-operado. Este veículo tem acoplado um reboque que lhe permite, entre outras funções, realizar a recolha das bolas de Golfe.

Sumário da Invenção A invenção refere-se a um sistema motorizado com tracção eléctrica e com visão por computador para ambientes exteriores. 0 mesmo pode ser autónomo ou operado remotamente recorrendo a um joystick remoto sem fios. Quando em modo autónomo reage de acordo com a sua informação sensorial e executa adequadamente as funções respectivas nomeadamente saber qual a direcção a tomar e quando deve descarregar o depósito de bolas. Este veículo está preparado para reagir consoante as diferentes condições atmosféricas. Este veículo é dotado de um processador de dados capaz de receber a informação sensorial, fazer o processamento e controlo da mesma. Este processador está interligado com um outro processador que tem como principal objectivo fazer a aquisição e processamento da imagem obtida através das câmaras instaladas no mesmo. Quando controlado remotamente, a sua estação de trabalho recebe os dados do seu sistema sensorial montado no veículo bem como a imagem que é obtida através das câmaras, e permite-lhe evitar automaticamente 2 obstáculos e direccionar o robô na direcção pretendida (quer seja a apanha das bolas de golfe quer seja a acção realizada pelo atrelado do veículo).

Actualmente os sistemas para recolha de bolas que existem não são autónomos. São utilizados normalmente tractores ou outros veículos com capacidade de reboque. Além do ruido que causam impossibilitam a pratica simultânea do jogo com a recolha das bolas. Por outro lado é necessária sempre a intervenção humana, quer para conduzir o veiculo, assim como a recolha e descarga das bolas.

Os veículos autónomos existentes para ambientes exteriores são bastante limitados, devido às irregularidades do terreno, às diferentes condições ambientais, tais como variação de luminosidade, temperatura, humidade, a própria dimensão do espaço, entre outras.

Deste modo, procurou-se oferecer ao sistema caracteristicas que lhe permitam executar a função desejada, ultrapassando todas as dificuldades acima descritas.

Como primeiro passo, criou-se uma estrutura mecânica resistente para suportar todo o sistema (peso das bolas, motores, baterias, unidades de processamento, sensores, actuadores, ...), capaz de ultrapassar irregularidades do solo (desníveis, buracos, ...), minimizar o impacto ambiental (ruido, degradação do campo).

Como a iluminação natural, varia ao longo do campo (devido à vegetação que causa sombras, posição e intensidade do sol ao longo do dia) e de dia para dia foi necessário recorrer a câmaras adequadas, técnicas de tratamento de imagem 3 (remoção de fundos estáticos, detecção de brancos) de modo a detectar as bolas. 0 diâmetro das rodas foi dimensionado de modo a ser compatível com o sistema de recolha e com as características do terreno.

Posteriormente, foi concebido um sistema estante e estanque para proteger unidade de processamento, actuadores e sensores.

Com vista a oferecer autonomia ao veiculo, foi dimensionado o sistema de energia, optimizando o uso desta assim como um sistema de carga automático.

Como a área de trabalho desta invenção possui grandes dimensões, dotou-se a mesma de um sistema de localização e posicionamento no espaço.

Estado da Técnica

Qualquer campo para praticar a tacada de golfe - "dríve ín range" necessita de um elevado número de bolas e de um modo para as recolher, sendo actualmente esta tarefa realizada com intervenção humana e recorrendo ao uso de máquinas agrícolas com respectivos equipamentos atrelados para o efeito. A necessidade de veículos especializados para o efeito tem vindo a aumentar, não só para aumentar a eficiência do processo mas também de modo a diminuir os seus custos.

Os sistemas tradicionais implicam um desfasamento entre o funcionamento do campo para praticar a tacada de golfe -"dríve ín range" e a manutenção do mesmo, pois não é 4 possível fazer a recolha de bolas ao mesmo tempo que se encontram jogadores no pórtico. As razões são as seguintes: nos casos em que as bolas são apanhadas manualmente, é extremamente perigoso para o apanhador andar no campo com várias pessoas a atirar as bolas de golfe (extrema violência), quando as bolas são apanhadas com veículos motorizados continuam a ter o condutor no espaço e o ruído é extremamente desagradável para os jogadores. Daí que o tempo disponível para apanhar as bolas seja reduzido o que se torna num grande inconveniente. 0 documento W02004096594 descreve um veículo autónomo de tracção eléctrica na qual não é especificada a sua utilidade, apresentando também várias diferenças em relação à presente invenção. Em oposição, o sistema de tracção da presente invenção caracteriza-se por ser um sistema diferencial eléctrico. Para além disso, ao contrário da invenção divulgada no documento W02004096594, a presente invenção funciona com comando autónomo e/ou remoto. 0 documento US4158418 descreve um sistema de recolha de bolas contém várias limitações e bastantes diferenças comparado com a presente invenção. Para além do tipo de construção ser diferente, o tipo de tracção é totalmente diferente da presente invenção. Para além disso não é motorizado não tendo assim a mesma facilidade de manobrabilidade. Este sistema não permite realizar qualquer controlo automático, nem registar qualquer tipo de dados ou estatística. 0 documento IJS3520727 descreve um sistema de recolha de bolas do tipo veículo com rodas guiado pelo utilizador, o qual tem dois braços que se estendem para a sua frente e 5 ajudam a recolher as bolas. Este sistema têm várias diferenças em relação à presente invenção porque não é autónomo e depende de um condutor para encontrar as bolas. 0 documento US5974348 descreve um sistema de localização utilizando radiação electromagnética oriunda no mínimo de seis faróis (transmissores) colocados à volta do espaço, que é capturada e concentrada num colector de imagem panorâmica. 0 objectivo é formar pelo menos sete linhas de visão através de uma câmara electrónica e a partir daí realizar a sua localização usando ferramentas de trigonometria. A presente invenção difere deste sistema pois utiliza radiofrequência por força de sinal e/ou transmissão no tempo.

Breve descrigão das Figuras A Figura 1 mostra uma vista geral de todo o sistema incluindo a plataforma com as 2 rodas (1), o atrelado para executar a tarefa de apanha de bolas de golfe (2) sistema de apanha de bolas (3), a comporta por onde bolas são descarregadas e o cais de descarga (14).

Na Figura 2 vê-se em pormenor os contactos para o carregamento autónomo de baterias (5) , o sistema de controlo de potência dos motores (6) , a unidade de processamento contínuo (7), a unidade de processamento de imagem (9) e o sistema de visão para efectuar a captura de vídeo (8).

Na figura 3 está representado o joystick remoto, que permite controlar a plataforma (robô) através do seu manipulo (10) e visualizar algumas variáveis do sistema através do seu dispositivo de visualização (15). 6 A Figura 4 descreve o sistema de localização por rádio frequência que é composto por vários emissores (11) e um receptor no próprio robô (12). A estação de visualização/controlo remoto do robot está representada na Figura 5 (13).

Descrição da Invenção

Esta invenção é constituída por um sistema bimotor eléctrico, um sistema de visão e um atrelado cuja função é apanhar bolas de golfe e armazenar as mesmas de modo a possibilitar a descarga automática num local predefinido, quando detectado o ponto máximo de carga. 0 sistema de tracção é efectuado por um diferencial eléctrico constituído por dois motores independentes. 0 sistema de visão permite detectar os limites do campo de golfe, bem como detectar zonas de maior concentração de bolas de golfe - permitindo tomar diferentes decisões.

Para tomada de decisões o sistema compreende uma unidade de processamento, que interpreta os sinais vindos dos sensores, das imagens obtidas através das câmaras ou dos comandos accionados pelo utilizador através do joystick ou dispositivo similar. A unidade de processamento da plataforma, ao receber as imagens provenientes das câmaras e a localização actual através dos sensores de posicionamento, define qual a trajectória a seguir e gera comandos individuais de força para enviar a cada um dos motores, com vista a realizar a trajectória previamente definida. Os outros sensores existentes no sistema sensorial vão gerar diferentes 7 comportamentos no veiculo, pois o mesmo vai variar o seu comportamento dependendo das condições atmosféricas (se a relva estiver muito húmida o veiculo recolhe à sua estação), da inclinação do terreno (aplicação de mais ou menos força nos motores), da variação da temperatura por exemplo (têm um limite máximo de temperatura para o seu correcto funcionamento).

Esta unidade regista em continuo toda a informação proveniente dos sensores e actuadores do sistema, sendo por isso capaz de evitar obstáculos, mudar o seu comportamento dependendo das condições do terreno e atmosféricas, informar acerca do estado do sistema incluindo a autonomia das baterias.

Todos os dados provenientes da informação sensorial são transmitidos para uma central, de onde também é possível enviar comandos de forma a traçar e definir trajectórias a percorrer. 0 atrelado contém um sistema de apanhar bolas, juntamente com sensores que permitem detectar quando o depósito está cheio de modo a transmitir ao sistema central a necessidade de proceder à descarga das bolas. 0 processo de descarga baseia-se num sistema de comporta. Esta abre através de um actuador quando o carro chega ao cais de descarga e acciona sensores de posicionamento que indicam a posição correcta do carro relativo ao sistema de recolha automática de bolas. Depois de aberta a comporta, todas as bolas são descarregadas no fosso de recolha automática onde são recolhidas para lavagem e inseridas no sistema dispensador de bolas. 8 A principal vantagem do sistema de recolha de bolas de golfe totalmente autónomo ou remotamente operado é reduzir o número de bolas necessárias em stock. Com o sistema actual de recolha de bolas, manual e diário, não existe a possibilidade de recolha de bolas quando os jogadores estão a executar batimentos.

Operando remotamente, o sistema pode ter características de auto-aprendizagem, bem como captar zonas de difícil recolha autónoma de bolas - zonas limites do terreno. Quando autónomo toma por si só as decisões de tudo que envolva a tarefa a desempenhar. Todas estas funções quer autónomo quer tele-operado são executadas adaptando-se às condições atmosféricas envolventes.

Outra das vantagens deste sistema consiste na possibilidade de, detectar obstáculos, ter índices de humidade, temperatura, inclinação, posição, etc. 0 sistema de posicionamento não se limita apenas à localização do robô dentro dos limites do campo, esta localização é também efectuada por radiofrequência baseada no tempo e/ou baseada na força do sinal recebido e ainda por GPS.

Para além das supra mencionadas vantagens, este sistema, por ser alimentado com baterias recarregáveis, células de combustível ou painéis foto voltaicos. Tendo ainda a capacidade de se deslocar ao local destinado para o carregamento das baterias de modo a poder auto recarregar-se . 9

Descrição Detalhada da Invenção 0 sistema de recolha de bolas de golfe autónomo ou remotamente operado compreende os seguintes elementos: - Base (1) com duas ou mais rodas accionadas em separado e cuja potência é controlada por electrónica adequada (6); - Atrelado com dispositivo apanha bolas (3) e depósito (2) com sistema de abertura automática (4); - Baterias (5) recarregáveis através de pólos externos por células de combustível e/ou painéis foto voltaicos presentes sobre o dispositivo. - Unidade de processamento contínuo de dados (7) para a leitura de sensores e comando de motores - PC DADOS; - Sistema de visão (8); - Unidade de processamento de imagem (9) - PC VIDEO; - Dispositivo de comando, joystick ou similar (10) com um dispositivo de visualização (15); - Sistema de posicionamento por rádio frequência, emissores (11) e receptores (12); - Unidade de visualização/controlo de parâmetros remoto (13) . A plataforma possui duas rodas (1), cada uma com o respectivo motor acoplado. As unidades de processamento continuo (7) e de imagem (9) ficam posicionadas acima da base. Os componentes electrónicos necessários ao funcionamento de todo o sistema estão ligados directamente ao sistema de processamento contínuo (7), ficando apenas o controlo /processamento de imagem na respectiva unidade de processamento (9). Os motores e as unidades de processamento são alimentados por baterias independentes. A unidade de processamento contínuo (7) garante o total controlo do robot fazendo com que este responda em 10 situações de emergência transmitidas pelos sensores de modo correcto e funcional. O controlo autónomo é implementado baseando-se na captura e processamento das imagens provenientes do sistema de visão (8). Este implementa rotinas de procura de bolas de golfe bem como calibração de cores e estabelece trajectórias dependentes da informação adquirida do processamento.

Autonomamente também são implementadas trajectórias de recolha ao cais de descarga para carregar baterias (5) e descarregar o depósito de bolas (2). Na descarga das bolas o robot posiciona-se na localização predefinida adequando-se à informação obtida dos respectivos sensores de posicionamento. O dispositivo de comando (10) pode funcionar em simultâneo com a unidade de visualização/controlo remoto (13), permitindo assim um controlo baseado em aquisição de imagem e fusão sensorial. Este dispositivo emite um sinal para o receptor da unidade de processamento contínuo (7) com a informação relevante ao movimento que se pretende dar aos motores. A unidade de visualização/controlo remoto (13) é necessária para que se possa ter acesso remoto a todos os dados críticos do sistema, nomeadamente as imagens capturadas, o histórico de trajectórias, histórico de carga de baterias, nível de carga do depósito de bolas, valor dos diferentes sensores e actuadores. O atrelado possui um sistema de descarga baseado na abertura de comporta (4). Sendo o depósito dimensionado de 11 modo a permitir a total descarga das bolas no cais de descarga (14). Este é constituído por actuadores que permitem abrir a comporta. 0 sistema de posicionamento por rádio frequência baseia-se num conjunto de pontos (emissores (11)) posicionados estrategicamente no terreno de modo a transmitir dados à unidade de processamento contínuo (receptor (12)) e informar a posição do mesmo.

Tipicamente numa imagem captada pela câmara frontal da presente invenção, observam-se duas barras essencialmente horizontais que delimitam a área de recolha de bolas do sistema, tal como podemos ver na imagem representada na Figura 6.

Assim, os sistemas fazem com que as bolas reconhecidas fiquem dentro dos referidos traços, pelo que todas as bolas que estiverem colocadas nessa região serão recolhidas.

Para cada momento as decisões são tomadas pelo veículo mediante a análise da imagem captada, tal como apresentado no fluxograma na Figura 7. A trajectória a seguir pelo sistema ao longo do campo é definida pelo sistema de processamento e depende da localização das bolas no terreno. 0 sistema somente tem que passar por um conjunto de pontos a definir previamente como pontos de controlos - "cAecA pomts", recorrendo ao sistema de posicionamento, para os quais o sistema tem que se dirigir caso não consiga encontrar bolas depois da análise da imagem, ou passado um tempo definido como sendo tempo 12 limite - "time out". Na Figura 8, mostra-se uma possível trajeetória percorrida pelo sistema ao longo do campo.

Ao longo do trajecto, o sistema recebe informação proveniente dos diversos sensores reagindo no caso de detectar obstáculos, por exemplo recorrendo aos ultra-sons, valores definidos de humidade ou temperatura excessivos. Caso a inclinação do sistema exceda um determinado valor ou seja detectada uma colisão, a velocidade deve diminuir, por exemplo usando um acelerómetro. Caso a orientação do sistema seja a errada numa posição extrema do campo, o sistema pode recorrer, por exemplo, a uma bússola orientando-se o sistema na orientação desejada, de acordo com o sistema de posicionamento.

Caso o sistema exceda o limite de bolas recolhidas ou seja necessário recarregar as baterias, tem ainda de ser capaz de se orientar para a zona de descarga. A toda esta descrição de comportamentos do sistema mediante informação recebida pelos sensores, dá-se o nome de fusão sensorial.

De um modo geral o processamento da imagem consiste em separar o fundo (neste caso a relva) dos pontos brancos (as bolas de golfe), seguindo-se o cálculo da posição relativa dos pontos brancos de modo a comunicar à unidade de processamento de dados a posição e velocidade que devem ser dadas aos motores com vista a recolher as bolas de golfe, tal como demonstra o fluxograma da figura 9. A comunicação entre os vários dispositivos de processamento a unidade de processamento de dados, a unidade de processamento de vídeo e a unidade de controlo remoto, ver 13

Figura 10 - baseia-se num protocolo de pedido seguido de resposta, este protocolo segue os seguintes paços: 1- PC Dados (7) transmite dados para o PC Vídeo (9); 2- PC Vídeo (9) transmite pedido de dados ao PC Dados (7) e recebe os respectivos dados, transmite dados e imagem ao PC Remoto; 3- PC remoto pede e recebe vídeo e dados do PC Vídeo (9) e também transmite instruções de accionamento dos motores ao PC Vídeo (9) de modo a este os transmitir ao PC Dados (7).

Exemplo:

O PC Remoto transmite ao PC Vídeo (9) a instrução de andar à velocidade V para a direcção X, Y e por sua vez o PC Vídeo (9) recebe o pedido e comunica ao PC Dados (7) que acciona os motores da maneira respectiva.

Deve ficar claro que as concretizações, do sistema de recolha de bolas de golfe totalmente autónomo ou remotamente operado, descritas anteriormente são simplesmente possíveis exemplos de implementação, meramente estabelecidos para um claro entendimento dos princípios da invenção. Podem ser efectuadas variações e modificações às concretizações referidas anteriormente sem que se desviem substancialmente do espírito e princípio da invenção. Todas essas modificações e variações devem ser incluídas no âmbito da presente.

Lisboa, 13 de Setembro de 2007

Claims (12)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de recolha de bolas de golfe totalmente autónomo caracterizado por compreender: - uma base (1) com, pelo menos, duas rodas acopladas, sendo cada roda movida por um motor independente; - um sistema de visão (8) com um número variável de câmaras; um conjunto de sensores - humidade, acelerómetro, bússola, encoders, temperatura, ultra-sons, GPS, que permitem optimizar o trajecto do sistema; uma unidade de processamento para aquisição e processamento de imagem (9); - uma unidade de processamento continuo de dados (7) dos sensores e controlo dos motores; - um atrelado com dispositivo mecânico de recolha de bolas (3) e depósito de bolas (2) com sistema de abertura automática (4); - uma unidade de baterias (5) recarregáveis através de pólos externos.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as baterias recarregáveis serem alimentado através de células de combustível ou painéis foto voltaicos presentes sobre o dispositivo.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os motores serem controlados directamente via "controlo remoto" através de um dispositivo de comando, joystick ou similar (10) com um dispositivo de visualização (15). 2

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por localizar o sistema no campo de golfe por meio de radiofrequência baseada no tempo e/ou baseada na força do sinal recebido e ainda por GPS; em que um conjunto de pontos emissores (11) posicionados estrategicamente no terreno de modo a transmitir dados à unidade de processamento contínuo por via de um receptor (12) sobre o sistema.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os motores independentes criarem entre si um diferencial que permita diferentes velocidades nas rodas para que o sistema mude de direcção.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter uma ligação a uma central remota a qual recebe toda a informação dos sensores, bem como a visualização dos registos feitos pela unidade de processamento e de onde é possível também o envio comandos para o sistema.

7. Sistema de acordo com a revindicação anterior, caracterizado por delimitar nas imagens recolhidas através do sistema de visão (8) as zonas que estejam no caminho do dispositivo apanha bolas (3).

8. Sistema de acordo com a revindicação 1, caracterizado por a unidade de processamento contínuo de dados (7) para a leitura de sensores e comando de motores calcular novas trajectórias para: evitar obstáculos; apanhar o maior número de bolas; e se deslocar para o cais de descarga. 3

9. Sistema de acordo com a revindicação 1, caracterizado por possuir um sistema de localização de radiofrequência baseado no tempo e/ou baseado na força do sinal.

10. Sistema de acordo com a revindicação 1, caracterizado por descarregar automaticamente as bolas de golfe no cais de descarga.

11. Sist ema de acordo com a revindicação 1, caracterizado por os motores e as unidades de processamento srem alimentados por baterias independentes.

12. Processo de recolha de bolas de acordo com o sistema da reivindicação 1, caracterizado por compreender os seguintes paços: - processamento da imagem separando o fundo com a relva dos pontos brancos com as bolas de golfe; - cálculo da posição relativa das bolas de golfe; - comunicação à unidade de processamento continuo de dados (7) a posição e velocidade que devem ser dadas aos motores com vista a recolher as bolas de golfe. Lisboa, 13 de Setembro de 2007