WO2009074705A1 - Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados. - Google Patents

Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados. Download PDF

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Jorge Luis Martiniez Rodriguez
Jesus Morales Rodriguez
Antonio Mandow Andaluz
Jesus Manuel Gomez De Gabriel
Alejandro PEQUEÑO BOTER
Juan Jesus Fernandez Lozano
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Universidad De Malaga
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    • B64U80/86—Land vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles

Definitions

  • Robotic system with off-road capability and gyrostabilized platform for collaboration with unmanned aerial vehicles Robotic system with off-road capability and gyrostabilized platform for collaboration with unmanned aerial vehicles.
  • the present invention pertains to the sectors of control and transport vehicles, specifically that of the control systems of the position, heading or altitude of vehicles and that of motor vehicles with special loads.
  • ES 2 156 767 proposes a robotic system with off-road capabilities capable of recognizing an affected area to identify victims or objects of interest.
  • the limited speed of travel imposed by the means of locomotion with such off-road capabilities slows down and makes it difficult to cover a large area such as that which can be affected in the event of natural disasters.
  • increasing the time it takes to rescue the victim greatly decreases the chances of survival.
  • US 6 687 571 describes a robotic system consisting of several robots that form a single device, each equipped with a sensor, communications system and processor. The idea of such systems is to multiply the speed at which an area of interest is explored.
  • This document describes a robotic off-road system capable of collaborating with unmanned aerial vehicles, including facilitating their take-off and landing from a gyro-stabilized platform attached to the robotic system itself.
  • the system consists of a mobile platform with chain traction, an on-board control system, a wireless communications system, an external sensor system, an internal sensor system and a gyro-stabilized platform through two degrees of freedom.
  • the robotic system receives information from the environment through the external sensor system. These sensors collect information about obstacles, surrounding terrain, etc., and send it to the control system. Said control system, based on the information already received a previous plan or to the orders received remotely, generates orders for the locomotion system of the robotic system, always in accordance with the policy determined for the robot team in which it is integrated. At the same time, internal sensors provide information about the status of the robotic system, in the form of data on speed, incline or platform status. Based on this information, two action systems linked to the two degrees of freedom of the platform keep it horizontal, so that it can be used as a takeoff and landing track by an aerial robot. This allows such an aerial robot to travel to the immediate vicinity of the area of interest before flying, increasing its autonomy. Likewise, the means can be provided to automatically refuel the aerial robot, multiplying its autonomy.
  • the whole set is powered by an electric generator installed on board.
  • Figure 1 General scheme of the invention in profile and plan view, where traction chains (a) composed of a chain on which the robot rests and which allows its displacement when driven (b), a wheel can be seen tractor unit (c), support rollers (d) and tension wheel (e); the autogenous group (f) mounted in the center of the mobile platform; the communications system (g); the high level control subsystem (h), mounted on the bow of the platform; the low level control subsystem (i), mounted aft of the mobile platform; the gyro-stabilized platform (j); the two linear actuators (k) thereof; and the support with actuator (1) for an intervention element in the environment.
  • traction chains (a) composed of a chain on which the robot rests and which allows its displacement when driven (b), a wheel can be seen tractor unit (c), support rollers (d) and tension wheel (e); the autogenous group (f) mounted in the center of the mobile platform; the communications system (g); the high level control subsystem (h), mounted on the bow of the platform; the low
  • the system ( Figure 1) consists of a mobile platform, a sensory system, a communications system, a control system and a gyrostabilized platform.
  • the mobile platform has traction by means of chains with sliding addressing (a). It is composed of two chain trains arranged on both sides of the vehicle. The drive of the chains at the same speed causes the linear displacement of the vehicle, while a difference in speeds produces a turn of the same.
  • Each chain train is composed of the following elements: - A chain on which the robot rests and which allows its movement when activated (b).
  • a driving wheel that meshes in the chain and allows the movement to be transmitted (c).
  • - A series of support rollers that hold the chain and support the weight of the vehicle (d).
  • the autonomous power system (f) consists of an autogenous group for generating electric power from an internal combustion engine.
  • the robot's sensory system can be subdivided into a subsystem of internal sensors and a subsystem of external sensors.
  • the internal sensor subsystem provides information on position, angular velocity and inclination, and is composed of two angular meters arranged in the motors that allow to know and control the speed of these and provide information for the calculation of the real position of the robot; and an inertial measurement unit that allows obtaining the orientation, angular velocity and linear acceleration of the robot in the three dimensions of space.
  • the external sensor subsystem provides information on the environment in which the robot develops its mission, and includes a camera that allows the vision of the environment, a laser scanner for detection of objects in the environment, a GPS with differential corrections to know the position Global robot with high precision, a sonar ring for the simultaneous detection of obstacles around the robot, and sensors for the detection of some characteristic of interest of the environment, such as Geiger counter, smoke detector, temperature sensor, infrared sensor , hazardous substances sensor, etc.
  • the robot's communications system (g) consists of a radio transmitter system that allows the transmission of camera images, and communication between the robot's computer network and an external network to which the teleoperation station is connected .
  • the robot control system is composed of a network of digital computers.
  • a conventional computer (h) performs the tasks of high level and acquisition and fusion of external sensors.
  • the gyro-stabilized platform G) is mounted on the mobile robot assembly by means of an anchor with two degrees of freedom whose axes are parallel to the longitudinal axis and to the transverse axis of the mobile platform, respectively.
  • two linear actuators (k) which in the preferred embodiment of the invention are electric, but which can be hydraulic, pneumatic or otherwise.
  • the inclination of the robot is known through the internal sensors of the robotic system, which is sent to the computer in charge of the low level control. Said computer calculates the necessary references for the aforementioned actuators, so that the platform is always kept horizontal.
  • the platform incorporates means to anchor and refuel the aerial vehicle, as well as marks or beacons that facilitate take-off and landing maneuvers. Also, the platform can be partially folded to facilitate the transit of the robotic system through narrow environments when the use of the platform is not necessary.
  • a support equipped with an actuator (1) controlled by the control system is located on the nose or bow of the mobile platform, to which a simple device that allows intervention on the environment can be attached.
  • this element is a fire extinguisher, but it can be, for example, a flare launcher, a fumigation system, a hook, or others.
  • the present invention allows air vehicles to be incorporated into the equipment of multiple robots used in such tasks, so that their autonomy and load capacity is maximized, or the latter is extended by transporting the less combustible air vehicle.

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Abstract

Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados. El sistema consta de una plataforma móvil con tracción por medio de orugas, un sistema de control a bordo, un conjunto de sensores que obtienen información tanto del entorno como de la actitud del sistema robótico en su conjunto y una plataforma horizontal dotada de dos grados de libertad. Esta plataforma permite la colaboración con vehículos aéreos no tripulados en la forma de facilitar su despegue y aterrizaje sobre el sistema robótico móvil, gracias a la estabilización automática de la plataforma que se mantendrá horizontal.

Description

Título
Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados.
Sector técnico
La presente invención pertenece a los sectores del control y los vehículos de transporte, concretamente al de los sistemas de control de la posición, rumbo o altitud de vehículos y al de los vehículos a motor con cargas especiales.
Técnica anterior
Las operaciones de búsqueda y rescate en escenarios de desastres plantean importantes problemas a los equipos de intervención: entornos desconocidos y no estructurados, movilidad sobre terreno difícil, duración de las operaciones, detección y manipulación de víctimas y material peligroso, o retirada de escombros, por nombrar sólo unos pocos. Además debe añadirse la dificultad en la detección de víctimas o de material peligroso.
Para solventar o mitigar al menos en parte estos problemas, se han desarrollado distintos sistemas robóticos. Por ejemplo, en ES 2 156 767 se propone un sistema robótico con capacidades todoterreno capaz de reconocer una zona afectada para identificar víctimas u objetos de interés. Sin embargo, la limitada velocidad de desplazamiento que imponen los medios de locomoción con tales capacidades todoterreno ralentizan y dificultan cubrir un área extensa como la que puede ser afectada en caso de catástrofes naturales. Además, cuando existe la posibilidad de que haya víctimas humanas aumentar el tiempo que tarda en rescatarse a la víctima disminuye considerablemente las posibilidades de supervivencia de la misma.
Para solventar este problema se han propuesto sistemas compuestos por varios robots. En US 6 687 571 se describe un sistema robótico formado por varios robots que forman un único equipo, cada uno de ellos dotado de sensor, sistema de comunicaciones y procesador. La idea de tales sistemas es multiplicar la velocidad a la que se explora una zona de interés.
No obstante, cuando la zona de interés es extensa, obtener una rapidez razonable en la exploración puede requerir un número impracticable de robots. Como solución a tal problema, en US 6 588 701 se propone un robot capaz de desplazarse por el aire. Tal tipo de robot, que suele denominarse vehículo aéreo no tripulado, se emplea para rastrear con mayor velocidad un área de interés.
Para mejorar los resultados de la exploración se emplean, igualmente, equipos de varios robots aéreos. Dichos vehículos adolecen habitualmente de un alcance muy limitado, ya que son vehículos ligeros que incorporan equipos sensoriales y de comunicaciones que sobrecargan su limitada capacidad de carga de pago. Así, su participación efectiva en las tareas de exploración queda muy limitada por su escasa autonomía, lo que a su vez limita las aplicaciones reales. Resumiendo, el estado de la técnica presenta varias características:
1) La exploración de las zonas de interés en el caso de desastres debe realizarse rápidamente, a lo que puede ayudar incorporar equipos formados por varios robots. 2) Para incrementar el alcance y la velocidad de la identificación de las zonas u objetos de interés pueden unirse al equipo de robots vehículos aéreos no tripulados que incorporen sensores apropiados. 3) Tales robots aéreos son vehículos ligeros para poder disponer de ellos en un número suficiente. Por tanto, tienen una limitada carga de pago y un corto alcance. 4) La carga de pago y el alcance de los vehículos aéreos no tripulados se encuentra además disminuida al acarrear los sensores necesarios para su misión.
En consecuencia, el estado de la técnica presenta limitaciones en cuanto al alcance de vehículos aéreos no tripulados que colaboren en equipos de varios robots.
Divulgación de la invención
El presente documento describe un sistema robótico todoterreno capaz de colaborar con vehículos aéreos no tripulados, incluyendo facilitar el despegue y aterrizaje de los mismos desde una plataforma giroestabilizada adosada al propio sistema robótico.
El sistema consta de una plataforma móvil con tracción mediante cadenas, un sistema de control a bordo, un sistema de comunicaciones inalámbricas, un sistema de sensores externos, un sistema de sensores internos y una plataforma giroestabilizada por medio de dos grados de libertad.
El sistema robótico recibe información del entorno a través del sistema de sensores externos. Dichos sensores recaban información acerca de obstáculos, terreno circundante, etc., y la envían al sistema de control. Dicho sistema de control, en base a la información recibida y a un plan previo o a las órdenes recibidas remotamente, genera órdenes para el sistema de locomoción del sistema robótico, siempre de acuerdo con la política determinada para el equipo de robots en el que esté integrado. Al mismo tiempo, los sensores internos proporcionan información acerca del estado del sistema robótico, en la forma de datos sobre velocidad, inclinación o estado de la plataforma. En función de esa información, dos sistemas de actuación ligados a los dos grados de libertad de la plataforma mantienen ésta horizontal, de manera que puede utilizarse como pista de despegue y aterrizaje por un robot aéreo. Esto permite que tal robot aéreo pueda desplazarse hasta las inmediaciones de la zona de interés antes de efectuar su vuelo, aumentando su autonomía. Asimismo, pueden disponerse los medios para repostar automáticamente al robot aéreo, multiplicando su autonomía.
Todo el conjunto se encuentra alimentado mediante un generador eléctrico instalado a bordo.
Descripción de las figuras
Figura 1. Esquema general de la invención en vista de perfil y planta, donde pueden apreciarse las cadenas de tracción (a) compuestas por una cadena sobre la que se apoya el robot y que permite su desplazamiento al ser accionada (b), una rueda tractora (c), los rodillos de apoyo (d) y la rueda tensora (e); el grupo autógeno (f) montado en el centro de la plataforma móvil; el sistema de comunicaciones (g); el subsistema de control de alto nivel (h), montado a proa de la plataforma; el subsistema de control de bajo nivel (i), montado a popa de la plataforma móvil; la plataforma giroestabilizada (j); los dos actuadores lineales (k) de la misma; y el soporte con actuador (1) para un elemento de intervención en el entorno.
Maneras de realización de Ia invención
A continuación se describe un ejemplo de realización de4 la invención de carácter no limitativo.
El sistema (Figura 1) consta de una plataforma móvil, un sistema sensorial, un sistema de comunicaciones, un sistema de control y una plataforma giroestabilizada. La plataforma móvil dispone de tracción mediante cadenas con direccionamiento por deslizamiento (a). Está compuesto por dos trenes de cadenas dispuestos a ambos lados del vehículo. El accionamiento de las cadenas a igual velocidad provoca el desplazamiento lineal del vehículo, mientras que una diferencia de velocidades produce un giro del mismo. Cada tren de cadena está compuesto por los siguientes elementos: - Una cadena sobre la que se apoya el robot y que permite su desplazamiento al ser accionada (b).
- Una rueda motriz que engrana en la cadena y que permite transmitirle el movimiento (c). - Una serie de rodillos de apoyo que sujetan la cadena y soportan el peso del vehículo (d).
- Una rueda guía que mantiene tensa la cadena (e).
- Un motor eléctrico que acciona la cadena a través de la rueda motriz.
- Una etapa de potencia que alimenta al motor.
El sistema de alimentación autónoma (f) consiste en un grupo autógeno de generación de energía eléctrica a partir de un motor de combustión interna.
El sistema sensorial del robot se puede subdividir en un subsistema de sensores internos y un subsistema de sensores externos. El subsistema de sensores internos proporciona información sobre posición, velocidad angular e inclinación, y está compuesto por dos medidores angulares dispuestos en los motores que permiten conocer y controlar la velocidad de éstos y aportan información para el cálculo de la posición real del robot; y una unidad de medidas inercial que permite obtener la orientación, velocidad angular y aceleración lineal del robot en las tres dimensiones del espacio. El subsistema de sensores externos proporciona información sobre el entorno en el que desarrolla el robot su misión, e incluye una cámara que permite la visión del entorno, un escáner láser para detección de objetos en el entorno, un GPS con correcciones diferenciales para conocer la posición global del robot con alta precisión, un anillo de sonares para la detección simultánea de obstáculos alrededor del robot, y sensores para la detección de alguna característica de interés del entorno, tales como contador Geiger, detector de humo, sensor de temperatura, sensor de infrarrojos, sensor de sustancias peligrosas, etc. El sistema de comunicaciones (g) del robot está formado por un sistema transmisor radio que permite la transmisión de las imágenes de las cámaras, y la comunicación entre la red de computadores del robot y una red externa a la que se conecta la estación de teleoperación.
El sistema de control del robot está compuesto por una red de computadores digitales. Un computador convencional (h) realiza las tareas de alto nivel y de adquisición y fusión de sensores externos. Un segundo computador (i), que en la realización preferida de la invención es un computador-autómata, realiza el control de bajo nivel llevando a cabo las tareas de alto requerimiento de tiempo real y adquisición de sensores internos.
La plataforma giroestabilizada G) se encuentra montada sobre el conjunto del robot móvil mediante un anclaje con dos grados de libertad cuyos ejes son paralelos al eje longitudinal y al eje transversal de la plataforma móvil, respectivamente. A ambos lados del punto de corte de los dos ejes de los grados de libertad se sitúan dos actuadores lineales (k), que en la realización preferida de la invención son eléctricos, pero que pueden ser hidráulicos, neumáticos o de otro tipo. A través de los sensores internos del sistema robótico se conoce la inclinación del mismo, que se envía al computador encargado del control de bajo nivel. Dicho computador calcula las referencias necesarias para los actuadores antes mencionados, de modo que se mantenga la plataforma siempre horizontal. De esta manera siempre puede utilizarse como plataforma de despegue y aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados de despegue vertical. Además, la plataforma incorpora medios para anclar y repostar el vehículo aéreo, así como marcas o balizas que faciliten las maniobras de despegue y aterrizaje. Asimismo, la plataforma puede plegarse parcialmente para facilitar el tránsito del sistema robótico por entornos angostos cuando no es necesaria la utilización de la plataforma.
En el morro o proa de la plataforma móvil se encuentra situado un soporte dotado de un actuador (1) controlado por el sistema de control, al que puede acoplarse un equipo sencillo que permita intervenir sobre el entorno. En la realización preferida de la invención este elemento es un extintor de incendios, pero puede ser, por ejemplo, un lanzador de bengalas, un sistema de fumigación, un gancho, u otros.
Aplicación industrial
En las tareas de exploración, vigilancia y rescate la velocidad de exploración es habitualmente crítica, por lo que la participación de un segmento aéreo cobra enorme importancia. No obstante, se encuentra limitada por la escasa autonomía de los vehículos aéreos no tripulados. La presente invención permite incorporar vehículos aéreos a los equipos de múltiples robots empleados en tales tareas, de manera que se aproveche al máximo su autonomía y capacidad de carga, o se amplíe esta última transportando el vehículo aéreo menos combustible.

Claims

Reivindicaciones
1. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados, caracterizado porque comprende una plataforma móvil, un sistema sensorial, un sistema de comunicaciones, un sistema de control y una plataforma giroestabilizada.
2. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según la reivindicación anterior caracterizado porque la plataforma giroestabilizada está dotada de dos grados de libertad y comprende actuadores que la mantienen permanentemente en posición horizontal en función de las órdenes recibidas desde el sistema de control, y que son calculadas a partir de la información sobre la inclinación que obtiene del sistema sensorial.
3. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según la reivindicación anterior caracterizada porque la plataforma giroestabilizada puede plegarse parcialmente para facilitar el tránsito del sistema robótico por entornos angostos cuando no es necesaria la utilización de la plataforma.
4. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según la reivindicación 2 ó 3 caracterizado porque la plataforma giroestabilizada dispone de balizas o marcas para facilitar las operaciones de despegue o aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados.
5. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4 caracterizado porque comprende medios para el anclaje y/o repostaje de vehículos aéreos no tripulados.
6. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5 caracterizado porque la plataforma móvil comprende un sistema de tracción mediante cadenas (orugas).
7. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6 caracterizado porque el sistema sensorial comprende un subsistema de sensores internos y un subsistema de sensores externos.
8. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según la reivindicación anterior caracterizado porque: a. El subsistema de sensores internos comprende dos medidores angulares dispuestos en los motores y que permiten conocer y controlar la velocidad de éstos y aportan información para el cálculo de la posición real del robot; y una unidad de medidas inercial que permite obtener la orientación, velocidad angular y aceleración lineal del robot en las tres dimensiones del espacio; y porque b. El subsistema de sensores externos comprende una cámara que permite la visión del entorno, un escáner láser para detección de objetos en el entorno, un GPS con correcciones diferenciales para conocer la posición global del robot con alta precisión, un anillo de sonares para la detección simultánea de obstáculos alrededor del robot, y sensores para la detección de otras características del entorno, tales como contador Geiger, detector de humo, sensor de temperatura, sensor de infrarrojos, sensor de sustancias peligrosas, etc.
9. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8 caracterizado porque el sistema de control comprende una red de computadores digitales.
10. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según la reivindicación anterior caracterizado porque al menos uno de los computadores que forman la red de computadores digitales comprendida en el sistema de control es un computador-autómata que realiza el control de bajo nivel, llevando a cabo las tareas de alto requerimiento de tiempo real y adquisición de información enviada por los sensores internos.
11. Sistema robótico con capacidad todoterreno y plataforma giroestabilizada para colaboración con vehículos aéreos no tripulados según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10 caracterizado porque en el que en el morro o proa de la plataforma móvil se ubica un soporte dotado de un actuador controlado por el sistema de control al que puede acoplarse un equipo sencillo que permita intervenir sobre el entorno, como por ejemplo un extintor de incendios.
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