Método para teleoperar un vehículo terrestre no tripulado con una cámara con desplazamiento horizontal y tal vehículo terrestre.

Un método de teleoperar un vehículo (10) terrestre no tripulado que comprende una primera unidad

(1) de accionamiento y una segunda unidad (2) de accionamiento, comprendiendo cada una un motor y orugas (6, 7) o ruedas, estando dichas orugas o ruedas simétricamente situadas a cada lado de la línea central a lo largo de la dirección de desplazamiento hacia adelante del vehículo, y una cámara (4) de movimiento horizontal, dispuesta frente o detrás del centro de rotación nominal (z) del vehículo, controlando un operador (8) de dicho método la rotación de la cámara desacoplada de la rotación del vehículo y controlando el movimiento del vehículo en cada instante de tiempo basándose en la orientación de la cámara, lo que significa que se alcanza lo que se ve en el centro de la imagen de la cámara mediante un comando de desplazamiento hacia adelante, y que el vehículo comprende una unidad (5) de control que, basándose en una señal (20) de comando para el movimiento del vehículo, calcula una primera y una segunda señal (21, 22) de control a las respectivas unidades (1, 2) de accionamiento que moverá el vehículo del modo deseado y una tercera señal (24) de control a la cámara que contrarresta el movimiento del vehículo de modo que la rotación de la cámara no se ve afectada por el movimiento del vehículo, estando caracterizado el método por que, como una primera alternativa

- dicha señal (20) de comando comprende información sobre la velocidad (s1, s2) y la velocidad angular (sw) de la cámara (4) con relación a un sistema de coordenadas fijado a la cámara;

- la velocidad de la primera y la segunda unidad (2) de control es calculada por la unidad (5) de control como sigue:**Fórmula**

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/SE2007/000121.

Solicitante: TOTALFORSVARETS FORSKNINGSINSTITUT.

Nacionalidad solicitante: Suecia.

Dirección: 164 90 Stockholm SUECIA.

Inventor/es: ÖGREN,PETTER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES... > Control de la posición, del rumbo, de la altitud... > G05D1/02 (Control de la posición o del rumbo por referencia a un sistema de dos dimensiones)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > HERRAMIENTAS MANUALES; HERRAMIENTAS DE MOTOR PORTATILES;... > MANIPULADORES; RECINTOS CON DISPOSITIVOS DE MANIPULACION... > Controles para manipuladores (controles por programa... > B25J13/08 (por medio de dispositivos sensores, p. ej. a la visión o al tacto)

PDF original: ES-2493393_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Método para teleoperar un vehículo terrestre no tripulado con una cámara con desplazamiento horizontal y tal vehículo terrestre

La invención se refiere a un método para teleoperar un vehículo terrestre no tripulado con una cámara de desplazamiento horizontal, y tal vehículo terrestre.

Cada vez se utilizan más vehículos terrestres no tripulados (UGVs, Unmanned Ground Vehicles) tanto para aplicaciones militares como no militares. Tal vehículo tiene una cámara con desplazamiento horizontal montada sobre el mismo que transmite imágenes a un operador. Las imágenes se utilizan para reconocimiento y para ayudar al operador a orientarse y ser capaz de teleoperar el vehículo. El operador observa las imágenes a través de una pantalla y opera el vehículo utilizando una unidad de control. La unidad de control tiene una palanca de mando con la que el operador conduce el vehículo adelante/atrás e izquierda/derecha. Además, hay una palanca de mando adicional con la que el operador dirige la cámara hacia arriba/abajo/derecha/izquierda con relación al vehículo. El documento JP 22 154383 muestra un sistema de este tipo con dos palancas de mando. El sistema tiene además la capacidad de alinear automáticamente la cámara con la dirección de desplazamiento del vehículo.

El documento US 26/13469 muestra un robot holonómico que se desplaza en correspondencia con lo que se observa a través de su cámara. El documento US 5,648,897 muestra un sistema para controlar una unidad remota, especialmente un vehículo terrestre, y el documento US 24/11161 muestra un vehículo autónomo y un control de movimiento para el mismo. Ninguno de los documentos mencionados muestra un método de acuerdo con la presente Invención.

Como se ha dicho anteriormente, un método común para teleoperar un vehículo no tripulado es el caso en que el operador controla, con una palanca de mando de la unidad de control, los movimientos del vehículo en el espacio y, con la otra palanca de mando, el movimiento de la cámara con relación al vehículo. El inconveniente de este método es que se necesita un operador experimentado para conducir tanto el vehículo como la cámara al mismo tiempo, especialmente en situaciones de gran estrés. Este inconveniente se debe al hecho de que el operador debe tener en cuenta la orientación de la cámara, la orientación del vehículo, y también la diferencia entre ambas cuando se opera el vehículo.

Esta invención elimina este inconveniente permitiendo que el operador opere la cámara y el vehículo de acuerdo con el método descrito en la reivindicación 1.

La invención se describirá a continuación con mayor detalle haciendo referencia a las siguientes figuras:

La Fig. 1 ¡lustra la operación de un vehículo terrestre de acuerdo con una técnica de la técnica anterior.

La Fig. 2 ¡lustra la operación de un vehículo terrestre de acuerdo con la invención.

La Fig. 3 ¡lustra un vehículo terrestre de acuerdo con la invención.

La Fig. 4 ¡lustra la operación de un vehículo terrestre a modo de ejemplo.

La Fig. 5 ¡lustra una secuencia de control con un vehículo terrestre no tripulado de acuerdo con la invención.

La invención se refiere a un método para teleoperar un vehículo terrestre no tripulado con una cámara de movimiento horizontal, por ejemplo un UGV (Vehículo Terrestre No Tripulado, Unmanned Ground Vehicle) de tipo oruga o un UGV con ruedas, y un vehículo terrestre que utiliza este método.

Con un vehículo con ruedas, se puede utilizar adecuadamente un UGV con una configuración de silla de ruedas. Por configuración de silla de ruedas se hace referencia a la configuración de ruedas que se utiliza en muchos UGVs y en casi todas las sillas de ruedas, como por ejemplo Nomadic Scout and Permobil C3CS. En esta configuración, se sustituyen las orugas por dos ruedas motrices con una dirección fija con relación al vehículo. Las ruedas motrices, que también pueden ser más de dos, son suplementadas con una o más ruedas de soporte con una función de pivote, de modo que pueden rotar libremente alrededor de su eje vertical y por tanto orientarse en diferentes direcciones con relación al vehículo. En una silla de ruedas clásica, las ruedas motrices son grandes y son accionadas manualmente y las ruedas de soporte son pequeñas y están ubicadas en la parte frontal. Un vehículo de tipo oruga y un vehículo con una configuración de silla de ruedas son muy similares desde el punto de vista del control. Ambos pueden girar en un punto y son controlados mediante la velocidad de las ruedas/orugas motrices o las fuerzas aplicadas a las mismas.

Los vehículos terrestres no tripulados de la técnica anterior son operados por un operador a través de un panel de control que controla el movimiento del vehículo con relación a un sistema de coordenadas fijado a la tierra y los movimientos de la cámara con relación a un vehículo de coordenadas fijado al vehículo, ver Fig. 1. Para el operador puede ser difícil y llevar tiempo tener en cuenta cómo está orientada la cámara, que constituye el campo de visión del operador, con relación al vehículo para conocer cómo se debe operar el vehículo con relación al campo de

visión.

La invención, sin embargo, propone un método y un vehículo que elimina este inconveniente. El operador controla la cámara, y por tanto su campo de visión, del modo habitual pero cuando el operador desea operar también el vehículo (adelante-atrás, derecha-izquierda), también se proporciona este control con relación a la cámara, ver Fig.

2.

Se muestra aquí un ejemplo simple relativo a cómo funciona la diferencia entre un UGV ordinario y un vehículo de acuerdo con la invención. El operador conduce el vehículo en línea recta, se detiene y gira la cámara hacia la derecha. En su panel de control, el operador ve ahora la misma imagen que ve la cámara. Con el modo anterior de operar el vehículo terrestre, el operador ahora tendría, para poder continuar el movimiento en la dirección de la cámara, que girar el vehículo hacia la derecha, compensar este movimiento haciendo girar la cámara hacia atrás en la dirección opuesta y sólo después de eso continuar conduciendo el vehículo en línea recta.

Con la invención, no es necesario seguir esta complicada forma de operar. Cuando el operador ha conducido el vehículo en línea recta, se ha detenido y ha hecho girar la cámara hacia la derecha, la posición de inicio es la misma. Cuando el operador desea continuar conduciendo el vehículo en la dirección de la cámara, el operador señaliza que el vehículo debe ser conducido en línea recta. La señal es transmitida al vehículo, que convierte la señal del operador y, entre otros, la posición de la cámara con relación al vehículo en una primera y una segunda señales de control a las dos unidades de accionamiento que hacen girar el vehículo hacia la derecha y conducir en línea recta. Al mismo tiempo, también se transmite una tercera señal de control a la cámara, que es girada en la dirección opuesta para mantener su orientación relativa a un sistema de coordenadas fijado a la tierra. Como resultado, la cámara se mueve a lo largo de una línea recta, recto hacia el objeto que está situado en el centro de la imagen de la cámara. En consecuencia, el operador puede en la mayoría de los casos Ignorar la dinámica del vehículo y experimentar la sensación de controlar una cámara flotante.

Técnicamente, un UGV ordinario tiene cinco grados de libertad, 2 para la posición, 1 para la orientación del vehículo, y 2 para la orientación de la cámara. Una cámara flotante tiene cuatro grados de libertad, 2 para la posición y 2 para la orientación. El método de teleoperación de acuerdo con la invención ignora... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un método de teleoperar un vehículo (1) terrestre no tripulado que comprende una primera unidad (1) de accionamiento y una segunda unidad (2) de accionamiento, comprendiendo cada una un motor y orugas (6, 7) o ruedas, estando dichas orugas o ruedas simétricamente situadas a cada lado de la línea central a lo largo de la dirección de desplazamiento hacia adelante del vehículo, y una cámara (4) de movimiento horizontal, dispuesta frente o detrás del centro de rotación nominal (z) del vehículo, controlando un operador (8) de dicho método la rotación de la cámara desacoplada de la rotación del vehículo y controlando el movimiento del vehículo en cada instante de tiempo basándose en la orientación de la cámara, lo que significa que se alcanza lo que se ve en el centro de la Imagen de la cámara mediante un comando de desplazamiento hacia adelante, y que el vehículo comprende una unidad (5) de control que, basándose en una señal (2) de comando para el movimiento del vehículo, calcula una primera y una segunda señal (21, 22) de control a las respectivas unidades (1, 2) de accionamiento que moverá el vehículo del modo deseado y una tercera señal (24) de control a la cámara que contrarresta el movimiento del vehículo de modo que la rotación de la cámara no se ve afectada por el movimiento del vehículo, estando caracterizado el método porque, como una primera alternativa

- dicha señal (2) de comando comprende información sobre la velocidad (s-i, S2) y la velocidad angular (Sw) de la cámara (4) con relación a un sistema de coordenadas fijado a la cámara;

- la velocidad de la primera y la segunda unidad (2) de control es calculada por la unidad (5) de control como sigue:

donde b es la distancia entre las unidades de accionamiento, L es la distancia desde el centro de rotación nominal z de la cámara (4) y el ángulo de la cámara con relación al vehículo;

- la velocidad angular de la cámara con relación al vehículo es calculada por la unidad (5) de control como sigue:

donde 9 es la orientación del vehículo con relación a un sistema de coordenadas fijado a la tierra;

- la primera y la segunda señal (21, 22) de control contienen información acerca de la velocidad (v-i, V2) de las respectivas unidades (1, 2) de accionamiento; la tercera señal (24) de control contiene información acerca de la velocidad angular (k) de la cámara (4) con relación al vehículo, o, como una segunda alternativa

- dicha señal (2) de comando comprende información acerca de la aceleración (s-i, S2) y la velocidad angular (Sw) de la cámara (4) con relación a un sistema de coordenadas fijado a la cámara;

- la fuerza y el par de la primera y la segunda unidad (1, 2) de accionamiento se calculan como sigue:

feos,* -s¡n<*Ys,^

\tUJ) (- vm J [sin^ eos $ X3*)

donde v es la velocidad del vehículo, w es la velocidad angular del vehículo, F es la fuerza generada por las unidades (1, 2) de accionamiento sobre el terreno, m es la masa del vehículo, t es el par generado por las unidades (1, 2) de accionamiento, J es el momento de inercia, el ángulo de la cámara con relación al vehículo;

- la fuerza de la primera y la segunda unidad de accionamiento es calculada por la unidad de control como sigue:

donde F1 es la fuerza ejercida sobre las orugas/ruedas motrices de la primera unidad de accionamiento y F2 es la fuerza ejercida sobre las orugas/ruedas motrices de la segunda unidad de accionamiento;

- la velocidad angular de la cámara con relación al vehículo se calcula como sigue:

**(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)**

k = s m sa m

donde 9 es la orientación del vehículo con relación a un sistema de coordenadas fijado a la tierra;

- la primera y la segunda señal (21, 22) de control contiene Información acerca de la fuerza (F-i, F2) de las respectivas unidades (1, 2) de accionamiento;

- la tercera señal (24) de control contiene información acerca de la velocidad angular (k) de la cámara (4) con relación al vehículo.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el vehículo (1) comprende un sensor (3) de navegación que mide el movimiento del vehículo y lo compara con las señales (2) de control del operador y transmite señales de corrección a la unidad (5) de control para compensar las diferencias.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde una relación L/b es mayor de 1/3, donde b es la distancia entre las orugas (6, 7) o ruedas, L es la distancia desde el centro de rotación nominal (z) a la cámara (4).

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde la unidad de control realiza los cálculos en tiempo real y las señales de control son transmitidas a las unidades (1, 2) de accionamiento y la cámara (4) en tiempo real.

5. Un vehículo terrestre no tripulado que comprende una primera unidad (1) de accionamiento, una segunda unidad (2) de accionamiento, y una cámara (4) de movimiento horizontal, caracterizado por que el vehículo comprende una unidad (5) de control que utiliza un método de acuerdo con la reivindicación 1.

6. Un vehículo terrestre no tripulado de acuerdo con la reivindicación 5, donde el vehículo (1) comprende un sensor (3) de navegación que mide el movimiento del vehículo y lo compara con las señales (2) de control del operador y transmite señales de corrección a la unidad (5) de control para compensar por las diferencias.

7. Un vehículo terrestre no tripulado de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, donde una relación L/b es mayor de 1/3, donde b es la distancia entre las orugas (6, 7) o ruedas, L es la distancia desde el centro nominal de rotación (z) a la cámara (4).