RO127555A2 - Sistem de navigaţie pentru vehicule - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de navigaţie pentru vehicule autonome sau pilotate de un operator uman, în scopul reducerii timpului de parcurs, evitării congestiilor din trafic şi minimizării consumului de carburant. Sistemul conform invenţiei este compus din două subsisteme, unul amplasat la sol, care cuprinde un server (11) de feromoni, ce rulează o aplicaţie software destinată să asigure comunicaţia cu nişte vehicule şi să actualizeze o hartă (13) a mediului, în care sunt înglobate nişte informaţii despre poziţia curentă a vehiculelor; subsistemul de la sol mai cuprinde în plus echipamente (12) de comunicaţie wireless; al doilea subsistem este amplasat la bordul vehiculelor şi cuprinde un modul (23) de localizare, o unitate (24) de prelucrare a datelor cu microcontroler, un echipament (22) de comunicaţie wireless şi un pilot (21) care poate fi un operator uman.

Description

Domeniul tehnic al invenției

Prezenta invenție se refera la problema selecției si urmăririi unei rute de parcurs pentru vehicule autonome, sau pilotate de un operator uman, in scopul reducerii timpului de parcurs, evitării congestiilor de trafic si minimizării consumului de carburant.

Soluția propusa vizeaza realizarea unui sistem care sa ofere pilotului in timp real informații sintetice despre rutele disponibile, precum si despre gradul de fluenta a traficului pe aceste rute. In esența, soluția propusa, poate fi descrisa ca un dispozitiv _>riCIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI

Descriere pagina 1 din 9

(λ-2 0 1 0 - 0 0 9 6 0 - 1 1 -ίο- 2010

de navigație mobil (Portable Navigation Assistant - PNA) cu funcționalitate imbunatatita datorata facilităților de comunicație cu un server aflat la sol.

Stadiul actual al tehnicii in domeniul sistemelor/dispozitivelor de navigație pentru vehicule

Având in vedere numărul imens de vehicule de toate tipurile aflate in circulație, impactul acestora asupra mediului si asupra vieții cotidiene a miliarde de oameni, este firesc interesul pentru gasirea unor soluții tehnice de natura sa optimizeze diversele aspecte legate de traficul vehiculelor, de la definirea si selecția rutelor optime, reducerea consumului de carburant, detectarea si semnalizarea congestiilor de trafic, pana la realizarea unor vehicule autonome, capabile sa construiască o reprezentare interna a mediului pe baza informațiilor furnizate de un set de senzori si sa navigheze in mod “inteligent” prin mediu.

Dintre miile de soluții propuse, una din cele mai răspândite si cunoscute este dispozitivul de navigație bazat pe localizarea GPS a vehiculului aflat in trafic, denumit in mod uzual PNA (Portable/Personal Navigation Assistant).

In aceasta abordare, locatorul GPS furnizează informația de poziție unui microcontroller, care extrage din memoria proprie si afiseaza pe un display local o harta predefinita a zonei geografice, corespunzător poziției curente a vehiculului.

Principalul dezavantaj al acestei soluții deriva din faptul ca hărțile folosite sunt statice si nu conțin informații despre măsură in care drumurile sunt practicabile, daca sunt afectate de restricții de circulație (sens unic, drum in lucru, restricții de viteza sau de acces in unele intervale orare, etc.) si nici despre gradul de fluenta a traficului pe aceste drumuri.

Pentru a depăși aceasta limitare, au fost propuse numeroase soluții. De exemplu in brevetul US2006/0094443, se propune un dispozitiv care folosește informația furnizata de locatorul GPS pentru a selecta si afișa pe un display local o serie de pagini web, al căror continui are legătură cu poziția geografica curenta a vehiculului (de exemplu obiective turistice, magazine, etc., aflate in apropiere), accesate printr-o conexiune mobila la internet.

O soluție asemanatoare este prezentata in WO2010/073053, cu deosebirea ca informațiile accesate de dispozitivul PNA (Portable Navigation Assistant) prin conexiunea internet sunt furnizate de un server central, care colectează si prelucrează date actualizate despre condițiile de trafic.

Descriere pagina 2 din 9 (\-2 0 1 0 - 0 0 9 60 - 1 I -10- 20W

Soluția propusa de brevetul US2004/0249569, adauga un dispozitiv de intrare in sistem, prin care utilizatorul poate defini o ruta prin marcarea puncetelor de plecare si de destinație, după care sistemul incarca automat, dintr-o sursa externa, informații caracteristice rutei selectate.

In brevetul GB2431261 se propune completarea informațiilor cu caracter geografic stocate in hărțile folosite de dispozitivul PNA cu informații privind eventuale limitări de viteza si este descrisa o metoda de selecție a rutei optime, prin minimizarea unui “cost” asociat cu fiecare ruta posibila.

Soluția propusa de brevetul US2010/0057334 se bazeaza pe comunicația intre PNA si un computer aflat intr-o statie-baza, care centralizează informațiile de la o pluralitate de telefoane mobile echipate cu GPS. Computerul de la statia-baza estimează densitatea traficului si o comunica dispozitivelor PNA la cerere.

Brevetul US2009/0063045 propune o soluție de selecție a rutelor după criteriul consumului minim de carburant, ținând seama de informațiile despre starea drumului, starea vremii, parametrii semafoarelor, blocaje de trafic, furnizate de o pluralitate de dispozitive interconectate in rețea. Prelucrarea tuturor datelor se face la nivelul dispozitivului PNA.

Toate soluțiile citate mai sus au un dezavantaj comun in faptul ca baza de cunoștințe despre condițiile de trafic, localizata intr-unui sau mai multe dispozitive externe fata de PNA este dificil si costisitor de construit si de actualizat.

Soluția propusa de prezenta invenție elimina acest dezavantaj, deoarece baza de cunoștințe despre condițiile de trafic se construiește ad-hoc, chiar in procesul de comunicație intre dispozitivele de tip PNA aflate la bordul vehiculelor si un server localizat la sol.

Elementul central al soluției este conceptul de “feromoni virtuali”, definit prin analogie cu feromonii naturali, substanțe chimice volatile, dispersate in mediu de unele specii de insecte pentru coordonarea inter-individuala in cadrul unor activitati complexe la nivelul roiului.

Feromonii naturali au fost descoperit! de Karlson si Luscher in 1959 ([1]), iar Grasse ([2]) a descris mecanismul de comunicație indirecta prin intermediul feromonilor (stigmergie) la unele specii de insecte.

Ulterior Dorigo et al. ([3]) au descris mecanismul de selecție a rutelor optime intre cuib si sursa de hrana in coloniile de furnici, pe care l-au denumit “ant colony optimization” (ACO). Procesul de optimizare se explica prin faptul ca rutele mai lungi

Descriere pagina 3 din 9 \-2 0 1 0 - 0 0 9 60 - - 7p

1 -10- 2010 ^ύ I necesita un timp mai mare pentru parcurgere, timp in care procesul de evaporare a feromonilor devine predominant fata de procesul de acumulare de noi cantitati de feromoni pe măsură ce noi agenți parcurg ruta respectiva. In final rutele scurte sunt preferate de tot mai multi agenți, iar rutele lungi sunt complet abandonate.

După descoperirea ACO, au aparut numeroase încercări de a crea feromoni artificiali pentru coordonarea unor agenți, de la simpla detectare a unor substanțe chimice poluante dispersate accidental in mediu ([4]), la schimbul de mesaje codificate in infrarosu intre agenți ([5]). Susnea et. al descriu in ([6]) un experiment in care structuri de date simple, denumite “feromoni digitali”, sunt memorate in tag-uri RFID distribuite in mediu si folosite pentru conducerea unor roboti mobili.

O definiție a conceptului de “feromoni virtuali”, intr-o accepțiune apropiata de cea in care este folosit in prezenta invenție a fost data de Susnea et al in ([7]).

In aceasta accepțiune, feromonii virtuali sunt engrame lasate de agenți nu in mediu, ci intr-o harta a mediului, stocata si actualizata de un server de feromoni, aflat in comunicație cu agenții. In procesul de comunicație intre agenți si serverul de feromoni, harta care incorporeza informații despre distribuția de feromoni se constituie intr-o memorie comuna, partajata de toti agenții.

In acest mod, fiecare agent are acces la o informație sintetica si actualizata dinamic despre traficul prin zona geografica reprezentata de harta comuna, iar “dârele de feromoni” lasate de agenții care au traversat anterior zona reprezintă rute posibile de urmat.

Descrierea succinta a invenției

Prezenta invenție descrie un sistem de navigație pentru vehicule (autonome sau pilotate de un operator uman), denumite in continuare “agenți”, bazat pe conceptul de “feromoni virtuali”.

Sistemul este compus din doua subsisteme, dintre care unul este amplasat la bordul vehiculului si cuprinde un modul de localizare (23), de exemplu GPS, o unitate locala de prelucrare a datelor cu microcontroller (24), echipament de comunicație wireless (22), de exemplu echipament mobil de conectare la internei si un pilot (21), care, in cazul particular al agenților neautonomi, poate fi un operator uman.

Un al doilea subsistem, amplasat la sol, este compus din “serverul de feromoni (11), implementat de un computer, care ruleaza o aplicație software destinata sa asigure comunicația cu agenții si sa actualizeze o harta a mediului (13), in care sunt înglobate informații despre poziția curenta a agenților. Subsistemul de la sol mai ,V

Descriere pagina ¢^-2 0 1 0 - 0 0 9 6 0 -1 1 -10- 2010 cuprinde echipamente de comunicație wireless (12) adecvate, care asigura comunicația in timp real cu agenții distribuit! in mediu.

Periodic, la intervale de timp prestabilite, fiecare agent emite către server un pachet de date care conține următoarele informații:

a. Un cod de identificare unic. In cazul particular al comunicației prin internet, acesta poate fi chiar IP-ul nodului de comunicație corespunzător vehiculului.

b. Coordonatele geografice ale poziției curente ale agentului, asa cum este raportata se subsistemul de localizare (23).

c. Orientarea (heading-ul) determinata de unitatea de prelucrare cu microcontroller (24) pe baza informației despre pozițiile succesive ocupate de vehicul.

d. Viteza de deplasare calculata pe baza informației despre pozițiile succesive ocupate de vehicul.

La primirea pachetului de date, serverul executa următoarele operații:

a. Localizează agentul pe o harta interna de tip grid (13), asociindu-l cu o celula corespunzător poziției geografice raportate de agent.

b. Calculează pentru fiecare celula a harții un coeficient, denumit “concentrație de feromoni virtuali”, după o formula care tine cont de numărul de vehicule care traversează celula in unitatea de timp, de viteza medie a acestora si de timpul de la ultima actualizare a datelor despre celula respectiva.

c. Transmite către agentul care a emis interogarea un pachet de date de răspuns, care, pe langa codul de identificare al agentului destinatar al mesajului, conține concentrațiile de feromoni calculate pentru celulele aflate in vecinătatea poziției curente a agentului.

La primirea răspunsului de la server, unitatea locala de prelucrare a datelor suprapune informația despre concetratiile de feromoni peste harta geografica statica pe care o are in memoria proprie si prezintă informația rezultata, intr-un format adecvat, pilotului.

Descrierea succinta a desenelor

Figura 1 prezintă structura generala a sistemului.

Subsistemul 1 este amplasat la sol si se compune din:

- Serverul de feromoni PS (11)

<2010-00960-1 1 -10- 2010

- Harta mediului EM (13), in care o aplicație software dedicata incorporează informații despre distribuția spațiala a vehiculelor aflate in comunicație cu serverul

- Echipament de comunicație wireless CE (12), de exemplu echipament specific pentru realizarea conexiunilor de internet mobil, sau alt echipament de comunicație wireless compatibil cu cel aflat la bordul vehiculelor.

Subsistemul 2, amplasat la bordul vehiculului, compus din:

- O unitate locala de prelucrare a datelor LPU (24)

- Subsistemul de localizare, LS (23), care poate fi, de exemplu, un locator GPS, sau alt dispozitiv de localizare adecvat tipului de vehicul

- Subsistemul de comunicație wireless CE (22), de exemplu, echipamentul capabil sa asigure o conexiune mobila la internet, sau alt echipament de comunicație wireless, compatibil cu subsistemul de comunicație (12), aferent serverului (11).

Pilotul (21) - care poate fi un operator uman, sau, in cazul agenților autonomi, un dispozitiva capabil sa asigure conducerea agentului fara operator uman.

Figura 2 este o reprezentare grafica a unei porțiuni din harta grid a mediului (13). Concentrația de feromoni determinata pentru fiecare celula a harții este reprezentata in acest caz prin nuanțe de gri, in care culoarea alb corespunde unei concentrații zero (lipsa completa de feromoni), iar negru corespunde unei concentrații maxime posibile.

In acest exemplu, pilotul unui vehicul care are de parcurs ruta intre punctele A si F ale harții este informat ca fluenta traficului este redusa pe tronsonul intre B si E, astfel incat ar putea fi preferabil sa urmeze traseul ocolitor A-B-C-D-E-F, in loc sa aleaga traseul mai scurt, A-B-E-F.

Figura 3 descrie structura interna a unitatii locale de prelucrare LPU (24), in care sunt prezente următoarele blocuri funcționale:

- Un microcontroller MCU (31)

- Memorie RAM (32)

- Memorie nevolatila NVM (33) pentru stocarea datelor, de exemplu harți statice al zonei geografice traversate,

- Cel puțin o interfața seriala RS232 (34) pentru conectarea cu dispozitivul de localizare (23)

Descriere pagina 6 din 9

Q - 2 Ο 1 Ο - Ο Ο 9 6 Ο - I 1 -10- ZUW

- Ο interfața USB (35) pentru conectarea cu medii de stocare a datelor, sau cu interfețe de comunicație,

- Un display LCD, sau touchscrren (36) pentru afișarea locala a unor mesaje textuale sau grafice,

- O interfața de comunicație in rețea ETH (37) necesara pentru conectarea cu echipamentul de comunicație wireless (22).

Descrierea detaliata a implementării preferate

In implementarea preferata, pilotul (21) este un operator uman, iar vehiculul poate fi orice vehicul rutier. Comunicația wireless, care folosește dispozitivele (12) si (22) este asigurata de o conexiune mobila la internet.

Serverul de feromoni (11) este un computer convențional care ruleaza o aplicație software dedicata, avand următoarele funcții:

- Sa asigure transferul bidirecțional al pachetelor de date intre server si agenții aflati in mediu, încapsulând pachetele in pachete TCP/IP.

- Sa creeze si sa actualizeze o structura de date corespunzător reprezentării de tip grid 2D (bidimensional) al unei regiuni geografice, (harta (13)) reprezentare compusa dintr-un număr de celule patrate cu latura ‘a’ (cf. Fig. 2). Valoarea parametrului ‘a’ se determina in funcție de puterea de prelucrare a serverului de rezoluția dispozitivelor de localizare (23), de viteza medie a vehiculelor in zona geografica de interes, precum si de intervalul de timp la care se succed pachetele de date intre agenți si server. O valoare rezonabila pentru acest parametru este in plaja 50-100 metri.

- Sa calculeze pentru fiecare celula a harții (13) o variabila, denumita “concentrația de feromoni virtuali, P”, in asa fel incat o valoare mai mare a acestui parametru sa indice faptul ca celula asociata este tranzitată in mod fluent de vehicule, iar o valoare apropiata de zero sa indice trafic dificil, puține vehicule in zona respectiva, sau lipsa de informații despre zona respectiva. O posibila formula de calcul a variabilei P este data de relația (1):

Λ/”' (1)

Unde N/j este numărul de vehicule care părăsesc celula Cjj in unitatea de timp, v este viteza medie a vehiculelor care tranzitează celula Cij, t este timpul scurs

cv-2 Ο 1 Ο - Ο Ο 9 6 0 - 1 1 -10- 2010 de la ultima actualizare a datelor despre celula Cy, iar τ este “constanta de timp de evaporare” a feromonilor virtuali.

Variabila Ρ-_ν se actualizeaza pentru celula C,_; de fiecare data când un nou agent transmite serverului o cerere de acces la harta de feromoni, cu precizarea ca același agent nu poate modifica de mai multe ori concentrația de feromoni a unei celule, atunci când se deplasează lent sau stationeaza.

Se observa ca, in cazul unei congestii de trafic, viteza medie a agenților este redusa, iar numărul agenților care părăsesc celula in unitatea de timp este de asemenea mic, ceea ce conduce la o valoare mica a P,j.

Comunicația intre dispozitivele aflate la bordul vehiculelor si serverul de feromoni decurge in felul următor:

- La intervale de timp prestabilite (in funcție de performanetele comunicației internet si de puterea de calcul a serverului), agenții emit către server pachete de date (interogări), care conțin informații despre identificarea, localizarea, viteza si orientarea respectivului agent.

- Pe baza poziției raportate de agent, serverul il localizează intr-o celula a harții de feromoni interna, recalculează concentrația de feromoni pentru celula respectiva si trimite un pachet de răspuns, care conține concentrațiile de feromoni calculate de server pentru celulele învecinate cu celula in care se afla agentul care a trimis interogarea. Cu referire la figura 2, daca, de exemplu, consideram ca valoarea parametrului ‘a’ este de 100 metri, pentru un agent situat in celula indicata de punctul A, recepția unui pachet de 100 de valori ale concentrației de feromoni virtuali corespunzător celulelor reprezentate in fig. 2, permite evaluarea condițiilor de trafic pe o distanta de 1Km înainte si 500 metri lateral, ceea ce este suficient pentru condițiile de trafic rutier in orașe si conduce la volume relativ mici de date transferate intre server si agenți.

La primirea pachetului de răspuns de la server, unitatea de prelucrare (24) extrage din memoria proprie nevolatila (33) o harta a zonei geografice in care se afla, in mod absolut similar cu dispozitivele PNA existente, peste care suprapune, de exemplu printr-un cod al culorilor, informația despre fluenta traficului, conținuta de concentrațiile de feromoni si afiseaza harta modificata pe display-ul local (36).

cv- 201 0-00960-1 1 -10- 2010

Soluția descrisa in prezenta invenție are următoarele avantaje evidente fata de oricare din soluțiile cunoscute in prezent:

Rezolva cu costuri minime problema creării si actualizării unor harți dinamice, actualizate in timp real cu informații despre trafic, pentru dispozitivele personale de navigație.

- Este “compatibila înapoi” cu dispozitivele existente aflate in exploatare. In lipsa unui server de feromoni in zona traversata, dispozitivul aliat la bordul vehiculului se comporta ca un PNA convențional.

- Toate componentele sistemului pot fi ușor implementate cu echipamente de serie, disponibile comercial.

- La nivelul serverului de feromoni se pot rula simulări ale unor situații speciale de trafic (de exemplu situații de tip “ora de vârf”) cu vehicule simulate. In urma acestor simulări se pot salva distribuții de feromoni obținute printr-un proces de tip “Ant Colony Optimization- ACO”, care ulterior pot fi oferite agentilor fizici pentru navigație.

- Sistemul este compatibil atat cu agenti autonomi cat si cu agenti conduși de un operator uman.

- Sistemul permite includerea in trafic a unor “agenti virtuali” - vehicule simulate software, care sa marcheze rute convenabile in diverse situații când se dorește dirijarea traficului pe anumite trasee, de exemplu indicarea unor rute ocolitoare in cazul unui accident care blochează o artera aglomerata.

- Informația despre fluenta traficului acumulata la nivelul serverului poate fi cu ușurința adaptata si transmisa unor “semafoare inteligente”, capabile sa-si ajusteze dinamic timpii de comutare, favorizând deplasarea pe arterele aglomerate.

Descriere

Claims (7)

1. REVENDICĂRI

   1. Un sistem de navigație pentru vehicule compus din:

   - un subsistem de prelucrare a datelor amplasat la sol (in afara vehiculelor), denumit “server de feromoni”, sau “server”,

   - o multitudine de vehicule, fiecare din ele avand la bord cate un subsistem, capabil sa determine poziția, orientarea si viteza vehiculului, denumit “dispozitiv de navigație”, caracterizate prin aceea ca:

   - dispozitivele de navigație de la bordul vehiculelor se afla in comunicație de date wireless cu serverul,

   - serverul creaza si actualizeaza o structura de date, aflata in corespondenta cu un anumit spațiu geografic, structura de date denumita “harta”, organizata sub forma unei mulțimi de celule adiacente, in care fiecărei celule ii corespunde o anumita suprafața din spațiul geografic considerat,

   - dispozitivele de navigație aflate la bordul vehiculelor raportează periodic serverului poziția, viteza si orientarea vehiculelor aflate in trafic,

   - serverul localizează fiecare vehicul intr-o celula a harții interne, calculează pentru fiecare celula cate un coeficient numeric, denumit “concentrație de feromoni virtuali”, a cărui valoare este proporționala cu numărul de vehicule care traversează celula respectiva in unitatea de timp si cu viteza medie a acestora, si transmite fiecărui dispozitiv de navigație cu care se afla in comunicație cate un pachet de date care conține concentrațiile de feromoni calculate pentru celulele Învecinate cu celula in care se afla vehiculul respectiv,

   - dispozitivele de navigație prezintă pilotilor vehiculelor, intr-o forma adecvata, informația sintetica despre distribuția concentrațiilor de feromoni virtuali obtinuta de la server.
2. 2. Un sistem ca in revendicarea 1, in care concentrațiile de feromoni calculate pentru fiecare celula a harții sunt variabile, scazand in timp, in mod asemanator cu evaporarea feromonilor naturali.
3. 3. Un sistem ca in revendicarea 1, in care funcțiile unei parti din dispozitivele de navigație sunt simulate software pentru a influenta intr-un anumit fel programat distribuția concentrațiilor de feromoni virtuali prezentata de server dispozitivelor de navigație cu care se afla in comunicație.

   £^-201 0-00960-- Μ

   1 1 -10- 2010
4. 4. Un sistem ca in revendicarea 1, care folosește distribuții statice, predefinite ale concentrațiilor de feromoni pentru a dirija traficul vehiculelor pe anumite rute.
5. 5. Un sistem ca in revendicarea 1 in care serverul este echipat cu interfețe hardware si software care sa-i asigure comunicarea cu semafoare inteligente, capabile sa-si ajusteze timpii de comutare in funcție de densitatea traficului, asa cum este aceasta reflectata de distribuția concentrațiilor de feromoni virtuali.
6. 6. Un sistem ca in revendicările 1 si 4 caracterizat prin aceea ca poate comuta intre distribuții dinamice ale concentrațiilor de feromoni virtuali, ca in revendicarea 1 si distribuții statice ale acestora, ca in revendicarea 4, in mod programat, sau in funcție de o comanda emisa de un operator uman.
7. 7. Un sistem ca in revendicarea 1, caracterizat prin aceea ca pilotii vehiculelor sunt dispozitive automate, de exemplu de tipul celor care asigura conducerea roboților mobili.