Область техники

Предложенные технические решения относится к системам и способам управления автоматизированными устройствами и могут быть использованы при координацииназемных подвижных автоматизированных устройств (автоматического транспорта, автоматических сельскохозяйственных машин, коммунальной и аэродромной техники, садовых газонокосилок и пр.), далее - роботов.

Уровень техники

Одной из главных проблем видеонавигаци, координации и управления роботами является отсутствие дешевой и надежной системы навигации и взаимной ситуативной координации действий. Например, для того, чтобы робот-газонокосилка не вышел за пределы территории для покоса травы, ее нужно обозначить проволокой (см. интернет публикацию от 15 июня 2012 года http://www.therobotreport.com/news/robot- lawnmowers-still-a-work-in-progress).

Последнее время предлагаются системы инфракрасных заборов или меток. Также возможна система наземных радиомаяков. Но такой подход значительно усложняет систему.

Использование GPS и даже более точных DGPS систем несёт с собой ряд недостатков:

1) сигнал GPS вблизи домов может экранироваться, переотражаться да и просто глушиться помехами или преднамеренно, что приводит к нарушению координации робота;

2) необходимо померить координаты границы территории работы (например, территории покоса для робота-газонокосилки) и указать их роботу, что является трудоёмким процессом;

3) такие системы дают координаты, но не ориентацию робота; 4) ориентация роботов происходит по абстрактным координатам, а не реальному окружению робота (так, если появится стационарное или движущееся препятствие (собака, ребенок), то система его не обнаружит);

5) такие системы не могут определить, где на участке есть трава, которая еще не покошена;

6) только с DGPS или GPS сложно организовать взаимную координацию роботов, которые не знают взаимного положения и должны иметь сложную систему взаимного обнаружения и обмена сигналами;

7) спутниковые системы имеют высокую себестоимость.

Многие из этих проблем решил бы видео-навигатор, установленный на роботе. Но такое решение создаёт ограниченную зону видимости навигатора, которую можно преодолеть лишь установкой большого количества камер с широкой зоной видимости, что значительно усложняет систему. Кроме того, возникает необходимость установки ряда хорошо различимых наземных меток. Естественные природные ориентиры не всегда имеют эти свойства, поэтому нужно явно пометить наземными метками территорию покоса. Взаимная координация роботов остаётся сложным способом, включающим использование сложной системы технического зрения и децентрализованной системы распознавания объектов. Децентрализованная система управления совместной деятельностью многократно сложнее и дороже одной централизованной .

Из уровня техники известны патент на полезную модель Ns 131276 «Устройство для координации автоматизированных устройств», опубликованный 20.08.2013, патентная заявка N° 2012147923 «Способ навигации и совместной координации автоматизированных устройств», опубликованная в 20.05.2014. В отличие от использующих GPS систем перед началом работы робота над контролируемой территорией размещают устройства слежения (одну или несколько камер), причем места и высота подвеса выбирается из условия обзора всей контролируемой территории. Т.е. в отличие от GPS систем, которые размещаются независимо от целей координации роботов, устройства слежения размещают именно для удобства координирования роботов, что решает проблемы GPS, например экранирование и переотражение сигнала. Следует отметить, что спутники GPS не являются окружением или устройствами слежения за роботами, координаты которых необходимо определить. Наоборот, сами роботы являются устройствами слежения за спутниками GPS, и координаты роботов могут определяться с помощью GPS только на самом роботе и только в том случае, если в его доступной зоне космического пространства находятся одновременно три, либо белее спутников системы GPS. В указанных документах эффективность в определении координат (пространственных и угловых) и взаимной координации роботов достигается за счёт устройства для координации деятельности роботов, содержащее летательные или расположенные на вышке средства слежения за роботами на контролируемой территории и наблюдения за их окружением, включая естественные и искусственные метки, на котором установлен блок для определения координат летательного средства, выполненный с возможностью обмена информацией с другим блоком, расположенном на том же устройстве с возможностью определять координаты контролируемого робота, причем упомянутый блок выполнен с возможностью приема и передачи управляющих команд и сигналов контролируемому роботу. Находящееся сверху летательное или расположенное на вышке устройство может быть:

1. БПЛА,

2. вышкой-антенной,

3. высотной привязной платформой непрерывного наблюдения (привязные аэростатические дирижабли или шары-зонды),

4. привязные аэродинамические винтокрылые за счет подводимой к винтам электрической энергии (аналогичные привязным вертолетным платформам Hovermast-100 компании Skysapience),

5. привязные винтокрылые летательные аппараты с аэродинамической разгрузкой за счет энергии высотного ветра (авторотация), который всегда присутствует на большой высоте (около 4 м/с на высоте 100 м, Фиг. 1), например, привязные автожиры и гиропланы (аналогичные привязным автожирам Fa330, используемыми во времена второй мировой войны немцами). Однако каждый из этих методов имеет недостатки:

1) БПЛА дороги и сложны для управления и расчета, имеют ограниченное время непрерывного наблюдения,

2) вышки сложны в установке и размещении или переустановке,

3) привязные аэростатические дирижабли или шары-зонды требуют сложного механизма накачки и неудобны для стабилизации,

4) привязные аэродинамические винтокрылые требуют много энергии, привязные автожиры и гиропланы не летают в отсутствии ветра. Техническая задача

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание системы и способа эффективной координации роботов на основе использования расположенных на вышках или летательных аппаратах устройств слежения за роботами на контролируемой территории и наблюдения за их окружением, включая естественные и искусственные метки. Технический результат совпадает с технической задачей.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи предложена система навигации и совместной координации одного или нескольких роботов, размещенных на контролируемой территории, включающая один или несколько устройств слежения за роботами на подвесных платформах, естественные или искусственные метки, центральный блок, на который поступает вся информация со всех устройств слежения, для определения координат и ориентации роботов, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна подвесная платформа представляет из себя роторное устройство, способное работать в режимах а) автожира, за счет набегающего потока воздуха, б) ветряного двигателя, получая энергию из набегающего ветра, в) вертолета, получая энергию с наземного заряжающего устройства, причем система снабжена центральным блоком расчета, расположенном либо на подвесной платформе, либо на земле, либо на заряжающем устройстве, либо на роботе, выполненным с возможностью определения координат, ориентации элементов системы и формирования управляющих команд на основе информации полученной от всех описанных выше устройств.

Причём роторный летательный аппарат может быть соединен кабелем с заряжающим устройством или роботом с возможностью приема передачи энергии. Система может быть дополнительно снабжена установленным на поверхности контролируемой территории или на роботах, по меньшей мере, одним устройством слежения за верхней полусферой, выполненным с возможностью приема передачи информации с центральным блоком расчета, а также, по меньшей мере, одним устройством для преобразования солнечной энергии в электрическую, размещенном на роторном летательном аппарате, и/или роботе, и/или на поверхности контролируемой территории. Устройство для преобразования солнечной энергии может быть выполнено с возможностью передачи энергии на по меньшей мере одно зарядное устройство для зарядки аккумуляторов, по меньшей меру, одного робота, и/или, по меньшей мере, одного роторного летательного аппарата в вертолетном режиме полета. По крайней мере, один роторный летательный аппарат может быть выполнен с возможностью передачи выработанной в режиме ветряного двигателя энергии устройству накопления энергии, расположенному на роторном летательном аппарате и/или, по меньшей мере, одному роботу и/или, по меньшей мере, одному зарядному устройству, для использования в вертолетном режиме полета

Роторное устройство может также использоваться как дрон-охранник для дома или участка

Также для решения поставленной задачи способ навигации и совместной координации одного или нескольких роботов, размещённых на контролируемой территории, включающий использование нескольких или одного устройства слежения за роботами, расположенного на одной или нескольких подвесных платформах, представляющих собой роторные устройства, способные работать в режимах а) автожира, за счет набегающего потока воздуха, б) ветряного двигателя, получая энергию из набегающего ветра, в) вертолёта, получая энергию с наземного заряжающего устройства, естественные или искусственные метки, центральный блок, на который поступает вся информация со всех устройств слежения, для определения координат и ориентации роботов, отличающийся тем, что подвесную платформу переключают а) в режим ветряного двигателя, заряжая аккумуляторы, когда есть ветер и нет необходимости обработки территории, б) в режим автожира или одновременно автожира и ветряного двигателя, заряжая аккумуляторы, когда есть ветер, и есть необходимость обработки территории, в) в режиме вертолётного двигателя, когда нет ветра, и есть необходимость обработки территории, за счёт аккумуляторов.

При реализации способа центральный блок размещают либо на подвесной платформе, либо на земле, либо на заряжающем устройстве, либо на роботе.

При реализации способа крепят привязную платформу кабелем к заряжающему роботы устройству или непосредственно к одному из управляемых роботов.

При реализации способа на земле или на самих наземных роботах размещают устройства слежения за верхней полусферой, и эта информация также поступает на центральную управляющую систему.

При реализации способа вырабатывают энергию за счёт солнечных батарей, установленных на подвесных платформах, земле или на роботах и используют для зарядки аккумуляторов, или подводится к роботам или подвесным платформам для полета в вертолетном режиме.

При реализации способа используют энергию от привязных платформ, которая вырабатывается за счет потока набегающего воздуха высотного ветра (авторотации) для создания аэродинамической разгрузки или зарядки аккумуляторов, или для питания роботов, или для полета в вертолетном режиме

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена диаграмма зависимости силы ветра от высоты для разных типов местности: городской, поселковой и сельской.

На фиг. 2 изображены варианты реализации решения. При этом используются следующие обозначения: привязной беспилотный летательный аппарат (привязной БПЛА) 1 , зарядное и управляющее устройство 2, с камерой (камерами) 3; метки на земле 4 и на роботе 5; естественный ориентир - куст 6. Осуществление изобретения

При реализации изобретения создается централизованная система управления роботами и повышается точность определения их координат (пространственных и угловых).

Использование привязных платформ с устройствами наблюдения, которые могут работать в трех разных режимах: режиме автожира, режиме ветряного двигателя, вертолетном режиме, обеспечивает эффективную координацию роботов на основе использования расположенных на вышках или летательных аппаратах устройств слежения за роботами на контролируемой территории и наблюдения за их окружением, включая естественные и искусственные метки.

Совместное использование разных режимов позволяет дополнять каждый и компенсировать недостатки каждого отдельно взятого.

Решение поясняется на фиг.2, где изображены три возможных варианта (а,б,в) реализации предложенной системы. На подвесной платформе стоят фиксированные камеры охвата всей нижней полусферы. Это дешевле одной управляемой камеры, а проводной канал связи (оптоволокно или витая пара) надёжен и ёмок. Можно разместить несколько камер, как на привязной платформе, так и на её подвесе - на необходимой малой высоте. Привязные платформы крепятся на тросе к земле (фиг.2 а), или кабелем к устройству аккумуляции и выдачи энергии (фиг.2 б), или непосредственно к одному из роботов на контролируемой территории (фиг.2 в).

Энергия может вырабатываться и за счет солнечных батарей, установленных на привязной платформе, земле или на роботах.

В предлагаемом решении может использоваться как относительное (дифференциальное) видеопозиционирование роботов относительно участка, так и относительно летательного аппарата (вышки). Для координации работы роботов с летательного аппарата (вышки) не всегда нужны координаты самого БПЛА наблюдения. Возможно точное относительное позиционирование роботов относительно 3 и более специальных меток, фиксированных наземных объектов и других наземных роботов. Точные координаты БПЛА не гарантируют точные координаты наземных роботов. Однако эти координаты (положение и ориентация) БПЛА могут потребоваться для коррекции проекционных искажений полученных изображений.

Возможно пассивное видеонаблюдение при естественном и искусственном освещении. Всепогодность обеспечивает инфракрасное и радиолокационное зрение, пассивные отражатели и активные инфракрасные метки, инфракрасные светодиоды и пр.

Использование нескольких камер наблюдения над контролируемой территорией (разные комбинации фиксированных и на привязных высотных платформах) повышают надёжность, стереоскопическую точность позиционирования, устраняет мёртвые зоны (например, за и под деревьями).

На роботе и на его заряжающем устройстве, на земле можно установить легко различимые сверху метки.

Центральный блок, на который поступает вся информация со всех устройств слежения, определяет координаты и ориентацию контролируемого, по меньшей мере, одного робота (как относительное (дифференциальное) видеопозиционирование роботов относительно участка, так и относительно устройств (камер) слежения), и, если необходимо, определяет координаты и ориентацию устройств слежения. Причем, упомянутый блок выполнен с возможностью передачи управляющих команд и сигналов (в том числе и RF) на роботы, на устройства слежения, на зарядные устройства, а также имеется возможность обмена управляющими и информационными сигналами между ними.

Если роботов несколько, то их централизованная координация проста - камеры видят всех их одновременно, и единая компьютерная система, получающая эту информацию, координирует их взаимное движение. Задать границы территории работы (например, покоса для робота-газонокосилки) можно, обозначив границы на экране компьютерной системы по изображению участка местности (например, при помощи стрелки мыши, или нарисовать сенсорным карандашом или пальцем на экране). Разработанная система работает следующим образом: вначале размещают, по меньшей мере, одного робота на контролируемой территории (например, газон). Перед началом работы робота над контролируемой территорией размещают устройства слежения (одну или несколько камер) на летательных аппаратах или на вышках, причем места и высота подвеса выбирается из условия обзора всей контролируемой территории.

Также возможно, что устройство слежения в начале работы расположено на земле или на одном из роботов, а затем в процессе работы может взлетать, летать или садится на вышки для слежения за роботами на контролируемой территории.

Можно поместить устройства слежения за привязными платформами на земле и на роботах, что позволяет определить взаимное положение и ориентацию устройств слежения и роботов, а также более точно определить угол вращения робота, и найти положение робота в мертвых зонах камер (под навесами или под деревьями) путем ориентации по потолку навесов или листвы деревьев, видимых сверху над роботом.

Кроме того, вместо видимого сигнала можно использовать и другие участки спектра. Причем, сигнал может быть не только естественным, но и сгенерированный роботом или устройством на камере или в иной точке пространства. Можно использовать звуковые, ультразвуковые сигналы, радиолокацию, сенсорные датчики и метки, например, запаховые или химические сигналы или радиоактивность, немного превышающую фоновый уровень (кремниевые пластины, например).

Для решения поставленной задачи предложен способ навигации и совместной координации одного или нескольких роботов, размещенных на контролируемой территории, путём формирования маршрутизации каждого робота по информации о координатах препятствий, границ уже обработанной территории, границ контролируемой территории и всех роботов на этой территории. С целью обеспечения возможности работы роботов на контролируемой территории, в первую очередь на тех участках контролируемой территории, где сигнал со спутников GPS либо переотражается, либо экранируется, перед началом работы роботов над контролируемой территорией размещают на одной или нескольких привязных платформах устройства слежения за роботами на контролируемой территории и наблюдения за их окружением. Устройства слежения представляют собой естественные и искусственные метки, выполненное с возможностью передачи информации о контролируемой территории и расположенных на ней объектах на каждый или некоторые роботы на этой территории. Причём, на каждом или некоторых роботах на основе информации устройств слежения обеспечивается возможность определения координат препятствий, границ обработанной территории, границ контролируемой территории и всех роботов, которые используются на этой территории, а также производится обмен управляющими сигналами между устройством слежения и автоматизированными устройствами на контролируемой территории с целью взаимной координации. Способ отличается тем, что, по крайней мере, одна подвесная платформа представляет из себя роторное устройство, способное работать в режимах автожира, за счет набегающего потока воздуха, в режиме ветряного двигателя, получая энергию из набегающего ветра, и в режиме вертолета, получая энергию с наземного заряжающего устройства.

Причем, когда есть ветер, и нет необходимости обработки территории, подвесная платформа работает в режиме ветряного двигателя, заряжая аккумуляторы. Когда есть ветер, и есть необходимость обработки территории, подвесная платформа работает в режиме автожира или одновременно автожира и ветряного двигателя, заряжая аккумуляторы. Когда нет ветра, и есть необходимость обработки территории, подвесная платформа работает в вертолетном режиме за счет аккумуляторов. Причем система снабжена центральным блоком расчета, который расположен либо на подвесной платформе, либо на земле, либо на заряжающем устройстве, либо на роботе, выполненным с возможностью определения координат, ориентации элементов системы и формирования управляющих команд на основе информации полученной от всех описанных выше устройств.

При реализации изобретения создается централизованная система управления роботами и повышается точность определения их координат (пространственных и угловых).

Использование привязных платформ с устройствами наблюдения, которые могут работать в трех разных режимах: режиме автожира, режиме ветряного двигателя, вертолетном режиме, обеспечивает эффективную координацию роботов на основе использования расположенных на вышках или летательных аппаратах устройств слежения за роботами на контролируемой территории и наблюдения за их окружением, включая естественные и искусственные метки.

Совместное использование разных режимов позволяет дополнять каждый и компенсировать недостатки каждого отдельно взятого.

Способ поясняется на фиг.2, где изображены три возможных варианта (а,б,в) реализации предложенного способа. На подвесной платформе стоят фиксированные камеры охвата всей нижней полусферы. Это дешевле одной управляемой камеры, а проводной канал связи (оптоволокно или витая пара) надёжен и ёмок. Можно разместить несколько камер, как на привязной платформе, так и на её подвесе - на необходимой малой высоте. Привязные платформы крепятся на тросе к земле (фиг.2 а), или кабелем к устройству аккумуляции и выдачи энергии (фиг.2 б), или непосредственно к одному из роботов на контролируемой территории (фиг.2 в).

Энергия может вырабатываться и за счет солнечных батарей, установленных на привязной платформе, земле или на роботах.

В предлагаемом решении может использоваться как относительное (дифференциальное) видеопозиционирование роботов относительно участка, так и относительно летательного аппарата (вышки). Для координации работы роботов с летательного аппарата (вышки) не всегда нужны координаты самого БПЛА наблюдения. Возможно точное относительное позиционирование роботов относительно 3 и более специальных меток, фиксированных наземных объектов и других наземных роботов.

Точные координаты БПЛА не гарантируют точные координаты наземных роботов. Однако эти координаты (положение и ориентация) БПЛА могут потребоваться для коррекции проекционных искажений полученных изображений.

Возможно пассивное видеонаблюдение при естественном и искусственном освещении. Всепогодность обеспечивает инфракрасное и радиолокационное зрение, пассивные отражатели и активные инфракрасные метки, инфракрасные светодиоды и пр. Использование нескольких камер наблюдения над контролируемой территорией (разные комбинации фиксированных и на привязных высотных платформах) повышают надёжность, стереоскопическую точность позиционирования, устраняет мёртвые зоны (например, за и под деревьями).

На роботе и на его заряжающем устройстве, на земле можно установить легко различимые сверху метки.

Центральный блок, на который поступает вся информация со всех устройств слежения, определяет координаты и ориентацию контролируемого, по меньшей мере, одного робота (как относительное (дифференциальное) видеопозиционирование роботов относительно участка, так и относительно устройств (камер) слежения), и, если необходимо, определяет координаты и ориентацию устройств слежения. Причем, упомянутый блок выполнен с возможностью передачи управляющих команд и сигналов (в том числе и RF) на роботы, на устройства слежения, на зарядные устройства, а также имеется возможность обмена управляющими и информационными сигналами между ними.

Если роботов несколько, то их централизованная координация проста - камеры видят всех их одновременно, и единая компьютерная система, получающая эту информацию, координирует их взаимное движение. Задать границы территории работы (например, покоса для робота-газонокосилки) можно, обозначив границы на экране компьютерной системы по изображению участка местности (например, при помощи стрелки мыши, или нарисовать сенсорным карандашом или пальцем на экране).

Используемая система работает следующим образом: в начале размещают, по меньшей мере, одного робота на контролируемой территории (например, газон). Перед началом работы робота над контролируемой территорией размещают устройства слежения (одну или несколько камер) на летательных аппаратах или на вышках, причем места и высота подвеса выбирается из условия обзора всей контролируемой территории. Также возможно, что устройство слежения в начале работы расположено на земле или на одном из роботов, а затем в процессе работы может взлетать, летать или садится на вышки для слежения за роботами на контролируемой территории.

Можно разместить устройства слежения за привязными платформами на земле и на роботах, что позволяет определить взаимное положение и ориентацию устройств слежения и роботов, а также более точно определить угол вращения робота, и найти положение робота в мертвых зонах камер (под навесами или под деревьями) путем ориентации по потолку навесов или листвы деревьев, видимых сверху над роботом.

Кроме того, вместо видимого сигнала можно использовать и другие участки спектра. Причем, сигнал может быть не только естественным, но и сгенерированный роботом или устройством на камере или в иной точке пространства. Можно использовать звуковые, ультразвуковые сигналы, радиолокацию, сенсорные датчики и метки (например, запаховые или химические сигналы или радиоактивность, немного превышающую фоновый уровень (кремниевые пластины, например).

Система наблюдения способна обнаруживать препятствия или движущиеся объекты, определяет степень и качество покоса травы. Она проста в реализации и имеет низкую себестоимость.

Данную систему можно использовать для широкого класса роботов: автоматизированные газонокосилки, внутрикомнатные роботы-уборщики, трактора, снегоуборочные, мусороуборочные, поливальные машины, машины для перевозки людей и грузов, сельскохозяйственные машины, коммунальная техника, транспорт, и прочее. Данную систему можно использовать для внеземных роботов на других планетах, например, для марсоходов.