CAMPO TECNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema y método de asistencia para la tele-operación de vehículos en túneles, por ejemplo, túneles mineros.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En la actualidad, la tele-operación de máquinas tiene una importancia cada vez mayor, debido a que permite evitar que los operadores se expongan a actividades de riesgo, mejorando la seguridad y calidad de vida. Así mismo, la teleoperación de máquinas es un paso intermedio en el caminó a la automatización de los procesos mineros.

La tele-operación de máquinas tiene una dificultad mayor a operar manualmente debido a múltiples factores, dentro de los cuales, los más importantes son los siguientes:

• Pérdida de información perceptual del ambiente y del movimiento de la máquina. Esta pérdida de información se produce debido a que el operador se encuentra en una ubicación remota y toda la información que recibe proviene de sensores y cámaras que proveen mucha menos información que la que un humano percibe operando localmente en forma manual.

• Retardo en la ejecución de los comandos. El ciclo de control que realiza el tele-operador consta de las siguientes etapas:

i. El operador acciona algún control, las que se transforman en señales. ii. Las señales son transportadas por el sistema de comunicaciones. in. Las señales son interpretadas y ejecutadas por el sistema de control de la máquina, generando la acción.

iv. El resultado de la acción es percibido por algún sensor.

v. La información sensorial es procesada y enviada de vuelta al operador por el sistema de comunicaciones.

vi. La información es desplegada en la sala de operaciones.

De las etapas descritas, las etapas ii, iv, v, y vi no están presentes en la operación manual, siendo exclusivas de la tele-operación. Cada una de estas etapas adicionales agrega retardo en la ejecución de los comandos.

Estos factores presentes en la tele-operación generan un control deficiente sobre la máquina resultando en situaciones de riesgo para maquinaria e infraestructura. Por otro lado, un sistema completamente autónomo, que pueda realizar todas las tareas puede ser muy complejo de construir, de elevado valor o inexistente, por lo que podria no ser una alternativa viable para ciertas tareas.

La solución desarrollada corresponde a un sistema y método de asistencia ubicado en la máquina tele-operada, que genera comandos seguros para la ejecución de una tarea predefinida, considerando información perceptual del ambiente y referencias de control sugeridas por los comandos enviados por el tele- operador. Además, la activación de este sistema puede estar sujeto a condiciones predefinidas, así como a decisiones del mismo operador.

Este sistema propuesto permite lidiar con los retardos de la tele-operación directa, considera información perceptual más rica, simplifica la tarea al teleoperador y también disminuye las situaciones de riesgo para la máquina y la infraestructura cercana.

En el estado del arte han existido intentos por proveer sistemas y métodos de asistencia para la tele-operación de vehículos en túneles. El documento US 2014/172128 divulga un método ¡mplementado por un controlador para operar remotamente una máquina que incluye determinar, para cada una de una pluralidad de condiciones operativas de la máquina, una configuración predeterminada de una matriz de instrumentos de máquina y montar de manera extraíble un dispositivo informático portátil en una consola de control remoto. El método incluye además definir una configuración de una matriz de instrumentos de consola de la consola de control remoto en la que, para cada una de la pluralidad de condiciones operativas, la configuración de la matriz de instrumentos de la consola es generalmente idéntica a la configuración predeterminada de la matriz de instrumentos de la máquina. Se divulga también un sistema asociado al método.

El documento JP2007085019 se refiere a resolver el problema de proporcionar una tecnología capaz de construir un sistema de control remoto por post-instalación sin cambiar sustancialmente el método de control de un controlador de carrocería existente en una máquina de trabajo montada con el controlador de control de carrocería para preservar los datos de estado dinámico en una forma de preservación adecuada para el sistema de control remoto. La solución que se propone es un dispositivo de control de datos del estado dinámico de la máquina de trabajo, donde el sistema de control remoto adquiere los datos de estado dinámico de la máquina de trabajo en un lugar remoto mediante un medio de comunicación. Una parte de almacenamiento está dispuesta en su dispositivo para preservar los datos de estado dinámico a transmitir, y un área de preservación de la parte de almacenamiento está dividida en varias secciones para que se pueda conservar clasificándola con cada característica de los datos de estado dinámico.

El documento WO 2017/065093 divulga un dispositivo de operación remota con el que es posible guiar los pormenores del trabajo que debe realizar un operador que utiliza una máquina de trabajo manualmente o por operación remota de acuerdo con el estado de la máquina de trabajo. La invención comprende un dispositivo de operación remota configurado para poder comunicarse con la máquina de trabajo, estando provisto el dispositivo de operación remota de: una unidad de operación para generar una señal de operación para operar remotamente la máquina de trabajo de acuerdo con una operación por parte del operador; un receptor para recibir una señal de detección desde los dispositivos de detección para detectar el estado de la máquina de trabajo; y una unidad de visualización para visualizar, en base al estado de recepción de la máquina de trabajo, una imagen de pantalla que indica los detalles del trabajo a realizar usando la máquina de trabajo manualmente o por operación remota.

El documento JP 2000185628 se refiere a resolver el problema de proporcionar un dispositivo de transmisión/recepción de un dispositivo de operación remota para un vehículo capaz de reducir la probabilidad de que se reconozca erróneamente una posición de existencia de una máquina portátil. La solución buscada es un dispositivo de operación remota que está provisto de una máquina portátil que maneja un conductor de un vehículo y un dispositivo de transmisión/recepción cargado en el vehículo. El dispositivo de transmisión/recepción está provisto de un primer circuito de transmitancia; un segundo circuito de transmitancia; un circuito de recepción; y una microcomputadora. Una antena está montada en el exterior del vehículo y emite una primera señal de solicitud. La antena está montada en el interior del vehículo y emite una segunda señal. En el caso donde existe la posibilidad de que la máquina portátil esté posicionada en el interior del vehículo, incluso si el microordenador recibe una señal de transmitancia desde la máquina portátil en el momento de la activación del primer circuito de transmitancia, una vez cambia a un accionamiento del segundo circuito de transmitancia.

Ninguno de los documentos del estado del arte divulga un sistema y método simplificado de asistencia que comprende las etapas: 1 ) la adquisición de variables; 2) la optimización de ruta; y 3) la publicación de comandos.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Los dibujos que se acompañan se incluyen para proporcionar una mayor compresión de la invención y constituyen parte de esta descripción y muestran una de las ejecuciones preferidas.

La figura 1 muestra una pantalla diseñada para mostrar la información relevante al tele-operador de la máquina.

La figura 2 muestra un esquema de la parte del sistema correspondiente a la interfaz de operación, consistente en, por una parte, una consola con joysticks, interruptores, botones y luces. La figura 3 muestra un dibujo de la parte del sistema correspondiente a las componentes físicas y de hardware para la adquisición, procesamiento y actuación.

La figura 4 muestra un diagrama de flujo del método de asistencia a la tele-operación.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

Haciendo referencia a los dibujos, la figura 1 muestra una pantalla (1) que posee una imagen de cámara (2) y una imagen de cámara (3). La pantalla (1 ) también posee un medio de visualización de mediciones láser (4) y posee un panel de variables de operación (5). La figura 2 se refiere a una consola de operación (6) que posee una luz de alarma (7), una parada de emergencia (8), una luz de estado (9) y un interruptor de encendido (10). En los costados posee dos joyticks (13, 14) para controlar el movimiento del vehículo. Además, la consola de operación (6) posee un sensor de modo (11) y una pluralidad de botones de misión (12). En la porción inferior de la pluralidad de botones de misión (12) se localiza un botón de contacto (20); un botón de liberación de freno de parqueo (19); un selector de luces (18); un botón de freno de parqueo (17) y un botón de una bocina (16).

La presente invención se refiere a un sistema y método de asistencia para la tele-operación. El sistema se compone de dos partes. Una primera relacionada con la interfaz con el tele-operador, la cual se muestra en las Figuras 1 y 2 y una segunda parte, que corresponde al subsistema perceptual-motriz de la máquina, el cual considera los componentes de adquisición, procesamiento de datos y ejecución de comandos en la máquina, esquematizada en la Figura 3. Por otra parte, el método de asistencia se refiere al tratamiento de la información para lograr una ayuda en la conducción tele-operada del vehículo, la cual se resume en el diagrama de flujo de la figura 4. Cada una de estas componentes se explica con mayor detalle a continuación.

• Interfaz de tele-operación: Corresponde a un subsistema o unidad con una consola y una pantalla que permite al tele-operador entregar los comandos de tele-operación y una pantalla que permite percibir la información sensorial en torno a la máquina. Por ejemplo, un computador en cuya pantalla se despliegan imágenes de cámaras abordo e información sobre la máquina, conectado a un conjunto de botones y palancas que le permiten al operador entregar los comandos a la máquina.

• Módulo perceptual-motriz: Corresponde a un subsistema que utiliza la información perceptual del ambiente, obtenida de sensores portados en el vehículo para llevar a cabo la tarea predefinida. Este subsistema recoge también los comandos enviados por la interfaz de tele-operación y, junto a los datos sensoriales, los envía a las distintas unidades de procesamiento, para finalmente llevar a cabo los comandos provenientes de estas últimas, los que se transforman en las señales que los actuadores del vehículo ejecutarán. Por ejemplo, un sistema que recoge los comandos sugeridos por la interfaz de tele-operación y, junto a datos de percepción ambiental, como los obtenidos a través de radares o sensores láser, así como datos de otros sensores internos de la máquina, los envía a una unidad de procesamiento añadida externamente a la máquina, como un.computador industrial y el cual a su vez envía los comandos y los traduce a mensajes de un bus de datos compatible con la unidad de procesamiento de la máquina, por ejemplo CANBus, para que los reciba el controlador de la máquina y se transformen en movimientos de la máquina. El módulo perceptual-motriz comprende adquirir información de distancia a los bordes del camino o paredes del túnel, las que pueden ser adquiridas con uno o más sensores de rango. Además, adquiere información perceptual de la máquina, como: RPM de la máquina; ángulo de la dirección; velocidad lineal de la máquina; velocidad angular de la dirección; adquirir comandos de referencia generados por el tele-operador. El módulo perceptual-motriz adquiere las distintas señales de sensores a través de señales, por ejemplo, via Ethernet, CANBus o mediciones analógicas de 4-20 mA y, por otra parte, recibe los comandos y los traduce a mensajes de un bus de datos compatible con la máquina, por ejemplo, CANBus, para que los reciba el controlador de la máquina y se transformen en movimientos de la máquina.

• Método de asistencia: Corresponde a un método para llevar a cabo la tarea de conducción de la máquina de forma semi-autónoma, considerando los comandos del tele-operador no como órdenes, sino como referencias sugeridas a seguir. Estas referencias sugeridas se intentan ejecutar siempre que ayuden a cumplir con la tarea predefinida y no representan un riesgo. Por ejemplo, un sistema que utiliza escáneres láser ubicados horizontalmente en la máquina para estimar la posición de las paredes del túnel con respecto a la máquina y utilizando esta información ejecuta una optimización, calcula los comandos que maximizan la distancia a las paredes realizando simulaciones en cada iteración del algoritmo de optimización.

* Módulo de asistencia: Corresponde a un subsistema que ejecuta las acciones llevadas a cabo por el método de asistencia. • Módulo de optimización de ruta: Este módulo consiste en un proceso de optimización sobre el espacio de los comandos de la máquina, con el objetivo de encontrar los valores del espacio de los comandos que maximizan la distancia a las paredes del túnel durante todo el largo de la trayectoria proyectada con dichos comandos, a la vez que se respeta la referencia de dirección entregada por el tele-operador y, simultáneamente, mantener una consistencia temporal de los comandos sucesivos.

• Módulo de publicación de comando: El módulo de publicación de comandos consiste en enviar los comandos calculados al módulo perceptual-motriz.

• Módulo de optimización de ruta: El módulo de optimización de ruta consiste en un proceso de optimización sobre el espacio de los comandos de la máquina, con el objetivo de encontrar los valores del espacio de los comandos que maximizan la distancia a las paredes del túnel durante todo el largo de la trayectoria proyectada con dichos comandos, a la vez que se respeta la referencia de dirección entregada por el tele-operador y, simultáneamente, mantener una consistencia temporal de los comandos sucesivos

El método de asistencia es el componente central del sistema y principal diferenciador respecto de otros sistemas y métodos de asistencia, por lo que su detalle de funcionamiento se describe a continuación.

La figura 4 muestra un diagrama de flujo del funcionamiento del método de asistencia. Como se puede apreciar, cada ciclo del programa comienza con la adquisición de las referencias de comandos por parte del operador, enviadas a través de la interfaz de tele-operación. Luego se adquieren las demás variables de interés, que en este caso son: • Información de distancia a los bordes del camino o paredes del túnel. Pueden ser adquiridas con uno o más sensores de rango (Por ejemplo, LIDAR, RADAR, SONAR, entre otros).

• Información perceptual de la máquina, que pueden ser, por ejemplo: o RPM de la máquina

o Ángulo de la dirección

o Velocidad lineal de la máquina

o Velocidad angular de la dirección.

El siguiente paso consiste en un proceso de optimización sobre el espacio de los comandos de la máquina, con el objetivo de encontrar los valores del espacio de los comandos que maximizan la distancia a las paredes del túnel durante todo el largo de la trayectoria proyectada con dichos comandos, a la vez que se intenta respetar la referencia de dirección entregada por el operador y, simultáneamente, se busca mantener una consistencia temporal de los comandos sucesivos. Todo lo anterior respetando las restricciones cinemáticas del vehículo, sujeto a la referencia de velocidad lineal máxima impuesta por el operador. La función de optimización puede ser cualquier función cuyo resultado de evaluación sea menor cuando se cumpla con los objetivos descritos anteriormente, por ejemplo, la función de optimización podría ser una suma lineal de la forma:

Donde Fe es la discrepancia entre el comando de la iteración anterior y el óptimo que se busca en la actual, Fs es la diferencia entre el comando de dirección sugerido por el operador y el óptimo que se busca y Fm es la distancia entre el vehículo y las paredes del túnel. Por otra parte w ₁ , w ₂ y w ₃ son los pesos relativos de cada uno de los objetivos que se pueden elegir de forma empírica, por ejemplo, pueden ser w ₁ = 1, w ₂ = 1 y w ₃ = 10.

El espacio de los comandos es un vector que contiene un conjunto de valores que pueden ser interpretados y transformados en movimientos de la máquina, por ejemplo, pueden ser el porcentaje de apertura de las válvulas de los cilindros de dirección de la máquina y el porcentaje de activación del acelerador, ambos valores que se ejecutarán durante un tiempo fijo, el que se puede establecer empíricamente, por ejemplo, 1 segundo. El espacio de los comandos puede contener 1 o más grupos de comandos que se ejecutarán secuencialmente, por ejemplo, pueden ser cuatro valores correspondientes al porcentaje de apertura de las válvulas de los cilindros de dirección de la máquina y el porcentaje de activación del acelerador para el primer lapso de tiempo (por ejemplo 1 ,5 segundos) y al porcentaje de apertura de las válvulas de los cilindros de dirección de la máquina y el porcentaje de activación del acelerador para el segundo lapso de tiempo (por ejemplo 2 segundos)

Con lo anterior, los comandos óptimos obtenidos cumplirán cón intentar obedecer las referencias solicitadas por el operador, a la vez que se obtiene una conducción del vehículo que respeta sus restricciones de movimiento y se mantiene lejos de las paredes del túnel.

Una vez obtenido el listado de comandos que minimiza la función de optimización, estos comandos se envían secuencialmente en el momento calculado hacia la unidad de procesamiento de la máquina para ser ejecutados por el subsistema perceptual-motriz, luego de las verificaciones de seguridad requeridas para mantener la integridad de los datos en la misma máquina. El ciclo anterior se ejecuta constantemente, teniendo una nueva solución antes de que termine la ejecución de el o los comandos que minimizan la función de optimización, por ejemplo, para comandos de duración de 1 segundo, se puede ejecutar el ciclo a 5 Hz.