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Title:
METHOD, VEHICLE AND SYSTEM FOR TRANSFERRING AT LEAST ONE PAYLOAD BETWEEN UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR TRANSPORTING SAID PAYLOAD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/154682
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention pertains to the field of unmanned aerial vehicles (UAV), commonly referred to as drones, and in particular concerns the use thereof as means for transporting payloads such as orders. The present invention concerns a method that solves the problem of how to automatically transfer orders to a payload delivery system with multiple drones, thereby efficiently reducing battery-related range constraints. The method includes a first vehicle (11) with a first trajectory (31) and a second vehicle (12) with a second trajectory (32) that have at least one shared partial trajectory th, the partial trajectory th being in the middle of the first trajectory and the second trajectory and comprising a plurality of intermediate points h located between each of the initial pointsi 1 and i 2 and each of the end points f 1 and f 2 respectively, in which the transfer is made within the partial trajectory th.

Inventors:
AZEVEDO FRANCISCO MATOS CHAVES BIVAR DE (PT)
GUERREIRO BRUNO JOÃO NOGUEIRA (PT)
CUNHA RITA MARIA MENDES DE ALMEIDA CORREIA DA (PT)
OLIVEIRA PAULO JORGE COELHO RAMALHO OLIVEIRA (PT)
Application Number:
PCT/PT2022/050002
Publication Date:
July 21, 2022
Filing Date:
January 07, 2022
Export Citation:
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Assignee:
INST SUPERIOR TECNICO (PT)
UNIV NOVA DE LISBOA (PT)
International Classes:
B64C39/02; B64D1/12; B64D1/22; G05D1/10; G08G5/00
Domestic Patent References:
WO2020116401A12020-06-11
Foreign References:
US10593216B22020-03-17
US20180090014A12018-03-29
Other References:
PINTO JOAO ET AL: "Planning Parcel Relay Manoeuvres for Quadrotors", 2021 INTERNATIONAL CONFERENCE ON UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS (ICUAS), IEEE, 15 June 2021 (2021-06-15), pages 137 - 145, XP033942263, DOI: 10.1109/ICUAS51884.2021.9476757
Attorney, Agent or Firm:
LIMA, Patrícia (PT)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES

1. Método de transferência de pelo menos uma carga útil (20) entre veículos aéreos não-tripulados para transporte da referida carga útil (20) caracterizado por incluir os passos de :

- um primeiro veiculo (11) aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , com meios de preensão (40) adequados para preensão de carga útil (20) , iniciar uma primeira trajetória (31) de voo pré- definida, entre um ponto inicial íi e um ponto final fi, sendo que, pelo menos em parte dessa primeira trajetória (31) , o primeiro veiculo (11) prende pelo menos uma carga útil (20) nos seus meios de preensão (40) ,

- um segundo veiculo (12) aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , com meios de preensão (40) adequados para preensão de carga útil (20) , iniciar uma segunda trajetória (32) de voo pré- definida, entre um ponto inicial Í2 e um ponto final f2, e

- a carga útil (20) presa pelo primeiro veiculo (11) através dos seus meios de preensão (40) ser transferida do primeiro veiculo (11) para o segundo veiculo (12) , passando o segundo veiculo (12) a prender a carga útil (20) nos seus meios de preensão (40) , sendo que:

- a primeira trajetória (31) e a segunda trajetória (32) apresentam pelo menos uma trajetória parcial th em comum, a trajetória parcial th sendo intermédia à primeira trajetória (31) e à segunda trajetória (32) , e compreendendo uma pluralidade de pontos intermédios h que se encontram entre cada um dos pontos iniciais ii e Í2 e cada um dos pontos finais fi e f2, respetivamente, e - a carga útil (20) presa é transferida na referida trajetória parcial th em comum.

2. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o ponto inicial íi da primeira trajetória (31) ser distinto do ponto inicial Í2 da segunda trajetória

(32) .

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o ponto final fi da primeira trajetória (31) ser distinto do ponto inicial f2 da segunda traj etória ( 32 ) .

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o primeiro veiculo (11) recolher a referida carga útil (20) num ponto de recolha m' , prendendo-a com os seus meios de preensão (40) , posteriormente a ter iniciado a referida primeira trajetória (31) , fazendo o ponto de recolha m' parte da primeira traj etória ( 31 ) .

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o primeiro veiculo (11) e o segundo veiculo (12) percorrerem a trajetória parcial que é simultaneamente parte de cada uma as referidas primeira e segunda trajetória (31 e 32) de tal forma que os meios de preensão (40) do primeiro veiculo (11) e do segundo veiculo (12) se encontram frente a frente, de tal forma que um posicionamento do primeiro veiculo (11) é inverso a um posicionamento do segundo veiculo (12) , preferencialmente um dos veículos apresentando um posicionamento inverso a um posicionamento dito normal.

6. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a transferência ser realizada de tal forma que o primeiro veiculo (11) se encontra sobre o segundo veiculo (12) , de tal forma que liberta a carga útil (20) dos seus meios de preensão (40) e esta é recolhida pelos meios de preensão (40) do segundo veiculo (12) .

7. Método de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por a transferência ser realizada de tal forma que a carga útil (20) se encontra simultaneamente presa pelos meios de preensão (40) do primeiro veiculo (11) e pelos meios de preensão (40) do segundo veiculo (12) em pelo menos um ponto das respetivas trajetórias.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o primeiro veiculo (11) , posteriormente à transferência, realizar uma ação adicional, essa ação incluindo iniciar uma nova trajetória até um novo ponto, essa movimentação incluindo:

- manter-se parado no novo ponto e/ou

- recarregar as suas baterias no novo ponto.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-7 caracterizado por o primeiro veiculo (11) , posteriormente à transferência, realizar uma ação adicional, essa ação incluindo iniciar uma nova trajetória até um novo ponto, essa movimentação incluindo a recolha de uma nova carta útil, essa recolha incluindo:

- recolher a nova carga útil (20) num ponto fixo, ou

- recolher a nova carga útil (20) de um outro veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , o outro veiculo sendo distinto do segundo veiculo (12) .

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por, no ponto final f2, o segundo veiculo (12) libertar a carga útil (20) num ponto fixo de entrega .

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender o passo de, previamente à transferência, o primeiro veiculo (11) e o segundo veiculo (12) comunicarem entre si, essa comunicação sendo realizada através de uma rede sem fios local, preferencialmente na frequência da gama de 2,4 GHz, mais preferencialmente segundo a norma IEEE 802.11.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por incluir mais do que uma transferência da carga útil (20) , em particular compreendendo adicionalmente os passos de:

- o primeiro veiculo (11) consistir num veiculo aéreo não-tripulado n-1 para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , com meios de preensão (40) adequados para preensão de carga útil (20) , iniciar uma trajetória n-1 de voo pré-definida, entre um ponto inicial ín-i e um ponto final fn-i, sendo que, pelo menos em parte dessa trajetória n-1, o veiculo n-1 prende pelo menos uma carga útil (20) nos seus meios de preensão (40) ,

- o segundo veiculo (12) consistir um veiculo aéreo não-tripulado n para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , com meios de preensão (40) adequados para preensão de carga útil (20) , iniciar uma trajetória n de voo pré-definida, entre um ponto inicial in e um ponto final fn, e sendo que: - a trajetória n-1 e a trajetória n apresentam pelo menos um ponto h em comum, o ponto h sendo um ponto intermédio à trajetória n-1 e à trajetória n, consistindo em pelo menos um ponto m entre cada um dos pontos iniciais u-i e ín e cada um dos pontos finais fn-i e fn, respetivamente,

- a carga útil (20) presa é transferida no referido, pelo menos um, ponto m em comum, e n consistir num número inteiro tal que n > 1, opcionalmente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10.

13. Veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil (20) caracterizado por compreender meios de preensão (40) adequados para preensão da carga útil (20) e estar configurado para implementar o método de qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o veiculo está configurado para recolher e/ou transferir a referida carga útil (20) .

14. Veiculo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por os meios de preensão (40) compreenderem pelo menos dois pares de braços de preensão.

15. Veiculo de acordo com a revindicação anterior caracterizado por os referidos pares de braços de preensão se moverem simetricamente e de forma síncrona.

16. Veículo de acordo com a revindicação anterior caracterizado por compreender adicionalmente uma cadeia de engrenagem (51) configurada para mover os braços de preensão simetricamente e de forma síncrona.

17. Veículo de acordo com a revindicação anterior caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos um servo motor (50) , o servo motor (50) estando de tal forma conectado à referida cadeia de engrenagem (51) que movimenta os braços de preensão simetricamente e de forma síncrona.

18. Veiculo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a cadeia de engrenagem (51) compreender uma pluralidade de engrenagens helicoidais de tal forma configuradas que os braços operam como um mecanismo de travamento automático, de tal forma que quando os braços se encontram numa posição fechada, prendem a carga útil (20) sem fornecimento de energia ao servo motor (50) .

19. Veiculo de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-18 caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos um potenciómetro associado a cada braço, o potenciómetro determinando uma posição angular do braço.

20. Veiculo de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-19 caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos um sensor de limite de força associado a cada braço, assim determinando se o braço, e em particular o par de braços, está a segurar uma carga útil (20) .

21. Veiculo de acordo com as reivindicações 17 e 20 caracterizado por sensor de limite de força determinar a corrente elétrica extraída do servo motor (50) .

22. Veiculo de acordo com qualquer uma das reivindicações 13-21 caracterizado por apresentar uma secção superior onde estão posicionados meios de voo e uma secção inferior onde estão posicionados os meios de preensão (40) .

23. Sistema para transporte de pelo menos uma carga útil (20) caracterizado por compreender pelo menos dois veículos das reivindicações 13-22. 24. Produto de programa de computador caracterizado por compreender instruções executáveis para implementar o método de qualquer uma das reivindicações 1-12.

Lisboa, 7 de janeiro de 2022.

Description:
DESCRIÇÃO

MÉTODO, VEÍCULO E SISTEMA PARA TRANSFERÊNCIA DE PELO MENOS UMA CARGA ÚTIL ENTRE VEÍCULOS AÉREOS NÃO- TRIPULADOS PARA TRANSPORTE DA REFERIDA CARGA ÚTIL

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção enquadra-se na área dos veiculos aéreos não tripulados (VANTs) , vulgo drones, em particular incluindo a sua utilização como meios de transporte de carga útil, como encomendas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Nos últimos anos, a investigação e desenvolvimento de veiculos aéreos não tripulados (VANTs) , também conhecidos por drones, e suas aplicações na sociedade moderna têm crescido a um ritmo sem precedentes. Desenvolvimentos nos campos da vida útil da bateria, materiais de fabrico e técnicas de perceção e controlo, entre outros, permitiram a expansão para diversas áreas de atividade. A possibilidade de interagir com o meio envolvente e outros agentes independentes é agora uma realidade acessível, que, no entanto, traz consigo um novo conjunto de desafios interessantes e complexos.

O acoplamento de um manipulador a um VANT abre a possibilidade não apenas de observar o meio envolvente, mas também de interagir com ele. Dada a natureza móvel destes veículos, essa interação pode assumir a forma especifica de agarrar e transportar objetos sem a necessidade de uma inf raestrutura externa complexa. 0 transporte de mercadorias por VANTs é uma resposta à crescente necessidade de entregas comerciais nas cidades . As empresas de entrega enfrentam limitações criticas , como a capacidade das estradas , a necessidade de agentes humanos para garantir a maior parte das operações e a complexidade de uma rede de transporte eficiente . A entrega por drones visa superar essas limitações , explorando o espaço aéreo não utili zado acima das cidades .

A sua falta de autonomia implica que a rota de transporte não pode ser muito longa ou que é necessária a existência de algum tipo de rede interconectada de drones que tem em consideração a duração da bateria de cada VANT . A velocidade e a eficiência do sistema devem ser superiores às dos métodos clássicos de entrega, para compensar a alteração .

O proj eto Prime Air da Amazon visa " entregar pacotes até 2 , 3 kg em 30 minutos ou menos usando pequenos drones" . Este proj eto encontra-se dependente do pedido ser entregue até 16 quilómetros de um centro de distribuição preparado para esse fim . A Amazon Tech Inc . possui um portfolio de patentes relacionadas com sistemas de entrega de drones , nomeadamente : "um sistema associado ao uso de um veiculo aéreo não tripulado para entregar um pacote associado a um mercado eletrónico" , referindo um mecanismo de entrega de pacotes baseado em cabos em US 9650136 ; um sistema de gestão da rede de transporte que utiliza veículos autónomos para identi ficar, adquirir e transportar itens entre di ferentes locais sem exigir interação humana em US 10068486B1 .

O proj eto Google Wing refere-se a "um serviço de entrega autónoma de drones com o obj etivo de aumentar o acesso a mercadorias , reduzir o congestionamento de tráfego nas cidades" , "desenvolvendo também uma plataforma de gestão de tráfego não tripulado que permitirá que aeronaves não tripuladas naveguem entre outros drones , aeronaves tripuladas e outros obstáculos , como árvores , prédios e linhas de energia" . Tal como nas soluções dos referidos pedidos de patente Amazon, o serviço de entrega da Wing também conta com sistema de cabos para baixar a embalagem até ao seu destino final . Wing também possui várias patentes relacionadas com este campo , focando-se na influência e interação do espectador durante uma entrega de pacotes com sistema de cabos em US2016236778 , uma tecnologia de mecanismo de amarras em US2016059963 e um aparelho de recuperação de embalagens em WO2019161187 .

A empresa IBM apresenta diversas divulgações com soluções de transporte por VANTs : um programa de computador que otimi za a operação de um drone aéreo para transportar um produto a um cliente em US 10081437B2 ; um sistema de entrega com múltiplos drones com foco na inspeção do ponto de entrega pelo drone em US 10198955 ; um sistema para gerenciar um grupo de drones acoplados de forma destacável US20180088598 e ; um sistema de entrega com múltiplos drones com troca de encomendas em voo em US2018276993 . Esta última patente, US2018276993 , é de especial relevância, pois aborda o problema da troca de encomendas entre vários drones durante o voo . Os inventores propõem um método para controlar dois ou mais drones , de modo que eles se encontrem num local especi fico e reali zem uma manobra de voo simples , a fim de trans ferir o pacote de um para o outro . O método proposto em US2018276993 , não só especi fica que a trans ferência do pacote ocorra num local estático entre as posições inicial e final , mas também que requer o uso de um mecanismo de acoplamento rotativo e um adaptador de carga correspondente . Existem diversas soluções no estado da técnica que recorrem ao transporte por VANTs . No entanto , acredita-se que nenhuma das soluções propostas por essas entidades resolva o problema de uma troca automática de encomendas para um sistema de entrega com múltiplos drones , assim reduz indo os constrangimentos relacionados com autonomia associada a bateria, de forma eficiente .

A presente invenção endereça as desvantagens do estado da técnica de forma inovadora .

SUMÁRIO DA I NVENÇÃO

É assim obj eto da presente invenção um método de trans ferência de pelo menos uma carga útil entre veículos aéreos não-tripulados para transporte da referida carga útil que inclui os passos de : um primeiro veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil , com meios de preensão adequados para preensão de carga útil , iniciar uma primeira traj etória de voo pré-definida, entre um ponto inicial íi e um ponto final fi, sendo que , pelo menos em parte dessa primeira traj etória, o primeiro veiculo prende pelo menos uma carga útil nos seus meios de preensão , um segundo veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil , com meios de preensão adequados para preensão de carga útil , iniciar uma segunda traj etória de voo pré-definida, entre um ponto inicial Í2 e um ponto final f2, e - a carga útil presa pelo primeiro veiculo através dos seus meios de preensão ser trans ferida do primeiro veiculo para o segundo veiculo, passando o segundo veiculo a prender a carga útil nos seus meios de preensão, sendo que: a primeira trajetória e a segunda trajetória apresentam pelo menos uma trajetória parcial th em comum, a trajetória parcial th sendo intermédia à primeira trajetória e à segunda trajetória, e compreendendo uma pluralidade de pontos intermédios h que se encontram entre cada um dos pontos iniciais ii e Í2 e cada um dos pontos finais fi e f2, respetivamente, e a carga útil presa é transferida na referida trajetória parcial th em comum.

A presente invenção permite assim a transferência entre VANTs durante o voo, através da definição de uma trajetória parcial na qual a carga útil é passada do primeiro para o segundo veiculo, sem ser necessário que o primeiro veiculo largue a carga útil num ponto fixo ou mesmo que o primeiro e o segundo veículos se encontrem parados, para realizar a transf erência/recolha . Este procedimento é inteiramente automático, ao utilizar trajetórias pré-definidas, que poderão incluir trajetórias acordadas de forma autónoma entre os drones intervenientes durante a troca, não necessitando de controlo remoto por parte de um operador humano .

Um ponto intermédio é um ponto não-inicial ou final de qualquer uma das trajetórias, não correspondendo, apesar de ser uma possibilidade, que é um ponto exatamente a uma mesma distância de um ponto 1, ponto inicial da trajetória e um ponto f, ponto final da trajetória. A referida trans ferência é assim reali zada ao longo de uma pluralidade de pontos m que constituem a traj etória parcial th, assim consistindo numa trans ferência ao longo de uma traj etória parcial que é simultaneamente parte de cada uma das referidas primeira e segunda traj etórias .

Num aspeto da presente invenção , esta possibilita a passagem de uma carga útil entre VANTs ao longo de uma traj etória de entrega otimi zada . A passagem da embalagem entre VANTs pode ser feita enquanto os dois VANTs estão em movimento ao longo de uma traj etória de entrega otimi zada, possivelmente recorrendo a manobras de voo agressivas , de modo a minimi zar o tempo despendido nesta operação .

Num aspeto do método da presente invenção , este inclui mais do que uma trans ferência da carga útil , em particular compreendendo adicionalmente os passos de :

- o primeiro veiculo consistir num veiculo aéreo não- tripulado n-1 para transporte de pelo menos uma carga útil , com meios de preensão adequados para preensão de carga útil , iniciar uma traj etória n-1 de voo pré- definida, entre um ponto inicial í n -i e um ponto final fn-i, sendo que , pelo menos em parte dessa traj etória n-1 , o veiculo n-1 prende pelo menos uma carga útil nos seus meios de preensão ,

- o segundo veiculo consistir num veiculo aéreo não- tripulado n para transporte de pelo menos uma carga útil , com meios de preensão adequados para preensão de carga útil , iniciar uma traj etória n de voo pré- definida, entre um ponto inicial i n e um ponto final fn, e sendo que :

- a traj etória n-1 e a traj etória n apresentam pelo menos um ponto h em comum, o ponto h sendo um ponto intermédio à trajetória n-1 e à trajetória n, consistindo em pelo menos um ponto intermédio m entre cada um dos pontos iniciais -i e in e cada um dos pontos finais f n -i e f n , respetivamente,

- a carga útil presa é transferida no referido, pelo menos um, ponto m em comum, e n consistir num número inteiro tal que n > 1, opcionalmente 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10.

Num modo de realização da presente invenção, esta inclui um veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil que compreende meios de preensão adequados para preensão da carga útil e estar configurado para implementar o método da presente invenção, em qualquer uma das suas realizações, em que o veiculo está configurado para recolher e/ou transferir a referida carga útil.

Num modo de realização da presente invenção, esta inclui um sistema para transporte de pelo menos uma carga útil que compreende pelo menos dois veículos de acordo com a presente invenção, em qualquer uma das suas reivindicações. Num aspeto da presente invenção, esta proporciona um sistema que contém múltiplos veículos aéreos não-tripulados (VANTs) , ou drones, possibilitando a transferência de carga útil com encomendas entre drones ao longo de uma trajetória otimizada. A passagem de objetos entre drones pode ser feita enquanto ambos se encontrem em movimento, possivelmente recorrendo a manobras de voo agressivas, de modo a minimizar o tempo despendido nesta operação.

Num aspeto da presente invenção, esta inclui um produto de programa de computador que compreende instruções executáveis para implementar o método da presente invenção, em qualquer uma das suas realizações. DE SCRI ÇÃO DAS F I GURAS

Figura 1 - representação simpl i ficada de um modo de reali zação do método da presente invenção , em que o segundo veiculo agarra a carga útil enquanto o primeiro veiculo a liberta .

Figura 2 - representação de um modo de reali zação do método da presente invenção , em que o segundo veiculo agarra a carga útil enquanto o primeiro veiculo a liberta . Os veículos aéreos representados nas figuras são quadricópteros , apresentando quatro hélices . Poderão , no entanto , apresentar outros meios de voo .

Figura 3 - representação de um modo de reali zação do método da presente invenção , em que o segundo veiculo agarra a carga útil em voo após o primeiro veiculo a ter libertado .

Figura 4 - representação de um modo de realização do veiculo da presente invenção , com dois pares de braços de preensão .

Figura 5 - representação de um modo de realização do veiculo da presente invenção, com dois pares de braços de preensão , e em que um primeiro veiculo e um segundo veiculo agarram simultaneamente uma carga útil . Adicionalmente , é visivel a cadeia de engrenagem .

Figura 6 - representação detalhada de um modo de reali zação do veiculo da presente invenção .

Figura 7 - representação detalhada de um modo de reali zação dos meios de preensão e cadeia de engrenagem do veiculo da presente invenção , apresentando igualmente uma base de suporte . DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

As configurações mais gerais da presente invenção são descritas no Sumário da invenção. Tais configurações são detalhadas abaixo de acordo com outros modos de realização vantajosos e/ou preferenciais de implementação da presente invenção .

Num aspeto vantajoso do método da presente invenção, o ponto inicial íi da primeira trajetória (31) é distinto do ponto inicial Í2 da segunda trajetória (32) .

Num outro aspeto vantajoso do método da presente invenção, o ponto final fi da primeira trajetória (31) é distinto do ponto inicial f2 da segunda trajetória (32) .

Num aspeto inventivo do método da presente invenção, o primeiro veiculo (11) recolhe a referida carga útil (20) num ponto de recolha m' , prendendo-a com os seus meios de preensão (40) , posteriormente a ter iniciado a referida primeira trajetória (31) , fazendo o ponto de recolha m' parte da primeira trajetória (31) . Tal permite que a carga útil (20) seja recolhida em qualquer ponto, independentemente da posição inicial íi do primeiro veiculo (11) .

Num aspeto vantajoso do método da presente invenção, o primeiro veiculo (11) e o segundo veiculo (12) percorrem a trajetória parcial que é simultaneamente parte de cada uma as referidas primeira (31) e segunda trajetória (32) s de tal forma que os meios de preensão (40) do primeiro veiculo (11) e do segundo veiculo (12) se encontram frente a frente, de tal forma que um posicionamento do primeiro veiculo (11) é inverso a um posicionamento do segundo veiculo (12) , preferencialmente um dos veículos apresentando um posicionamento inverso a um posicionamento dito normal. Tal possibilita que, de forma eficiente, a transferência seja feita em voo. Um posicionamento dito normal é aquele em que um veiculo se posiciona de forma substancialmente ortogonal ao vetor gravidade, em que o sentido e direção da referida normal a uma superfície inferior do veiculo são substancialmente os mesmos do sentido e direção do vetor gravidade .

Num aspeto vantajoso adicional do método da presente invenção, a transferência é realizada de tal forma que o primeiro veiculo (11) se encontra sobre o segundo veiculo (12) , de tal forma que liberta a carga útil (20) dos seus meios de preensão (40) e esta é recolhida pelos meios de preensão (40) do segundo veiculo (12) . Tal possibilita uma eficiência adicional. Alternativamente, a transferência é realizada de tal forma que a carga útil (20) se encontra simultaneamente presa pelos meios de preensão (40) do primeiro veiculo (11) e pelos meios de preensão (40) do segundo veiculo (12) em pelo menos um ponto das respetivas trajetórias. Tal garante uma eficiência adicional de forma alternativa .

Num modo de realização do método da presente invenção, o primeiro veiculo (11) , posteriormente à transferência, realiza uma ação adicional, essa ação incluindo iniciar uma nova trajetória até um novo ponto, essa movimentação incluindo :

- manter-se parado no novo ponto e/ou

- recarregar as suas baterias no novo ponto.

Num modo de realização do método da presente invenção, o primeiro veiculo (11) , posteriormente à transferência

2 realiza uma ação adicional, essa ação incluindo iniciar uma nova trajetória até um novo ponto, essa movimentação incluindo a recolha de uma nova carta útil, essa recolha incluindo :

- recolher a nova carga útil (20) num ponto fixo, ou

- recolher a nova carga útil (20) de um outro veiculo aéreo não-tripulado para transporte de pelo menos uma carga útil (20) , o outro veiculo sendo distinto do segundo veiculo (12) .

Num aspeto vantajoso do método da presente invenção, no ponto final Í2, o segundo veiculo (12) liberta a carga útil (20) num ponto fixo de entrega.

Num aspeto inventivo do método da presente invenção, este compreende o passo de, previamente à transferência, o primeiro veiculo (11) e o segundo veiculo (12) comunicarem entre si, essa comunicação sendo realizada através de uma rede sem fios local, preferencialmente na frequência da gama de 2,4 GHz, mais preferencialmente segundo a norma IEEE 802.11. Tal permite que os veículos troquem informações que permitem realizar a transferência, como ajustes da trajetória parcial, recorrendo a comunicações de baixa potência e assim garantindo um menor consumo de energia dos veiculos, tomando partido da proximidade a que se encontram.

Num aspeto do veiculo da presente invenção, os meios de preensão (40) compreendem pelo menos dois pares de braços de preensão .

Num outro aspeto vantajoso do veiculo da presente invenção, os referidos pares de braços de preensão movem-se simetricamente e de forma sincrona.

3 Num outro aspeto vantaj oso do veiculo da presente invenção , que providencia uma eficiência construtiva, este compreende adicionalmente uma cadeia de engrenagem ( 51 ) configurada para mover os braços de preensão simetricamente e de forma sincrona .

Num outro aspeto inventivo do veiculo da presente invenção , que providencia uma eficiência construtiva ao poder recorrer a apenas um servo motor ( 50 ) , este compreende adicionalmente pelo menos um servo motor ( 50 ) , o servo motor ( 50 ) estando de tal forma conectado à referida cadeia de engrenagem que movimenta os braços de preensão simetricamente e de forma síncrona .

Num outro aspeto inventivo do veiculo da presente invenção , igualmente eficiente , pois garante que a carga útil ( 20 ) sej a presa sem fornecimento de energia ao servo motor ( 50 ) , a cadeia de engrenagem ( 51 ) compreende uma pluralidade de engrenagens helicoidais de tal forma configuradas que os braços operam como um mecanismo de travamento automático , de tal forma que quando os braços se encontram numa posição fechada, prendem a carga útil ( 20 ) sem fornecimento de energia ao servo motor ( 50 ) .

Num aspeto do veiculo da presente invenção, este compreende adicionalmente pelo menos um potenciómetro associado a cada braço , o potenciómetro determinando uma posição angular do braço .

Num aspeto do veiculo da presente invenção, este compreende adicionalmente pelo menos um sensor de limite de força associado a cada braço , assim determinando se o braço , e em particular o par de braços , está a segurar uma carga útil (20) . Preferencialmente, o sensor de limite de força determina a corrente elétrica extraida do servo motor (50) .

Num aspeto preferencial do veiculo da presente invenção, este apresenta uma secção superior onde estão posicionados meios de voo e uma secção inferior onde estão posicionados os meios de preensão (40) .

MODOS DE REALIZAÇÃO

Descrevem-se de seguida modos de realização preferenciais do método, veiculo e sistema da presente invenção.

Considera-se uma rede de veículos aéreos não-tripulados (VANTs) independentes, cada um equipado com algum tipo de mecanismo de preensão na parte inferior do veiculo e projetado para conter um certo tipo de pacote. O veiculo X e o veiculo Y são dois agentes idênticos, porém independentes, dessa rede. Um pacote ou carga útil (20) é transportado de uma coordenada i para outra coordenada f. A seguinte sequência de ações constitui um cenário possivel:

- o veiculo X inicia sua viagem para o local de recolha do pacote na coordenada i,

- usando o sistema de preensão especificado, o veiculo X recolhe a embalagem em i com a ajuda de sensores visuais ,

- o veiculo X transporta a carga ao longo de uma trajetória de entrega planeada, aproximando-se de f,

- um segundo veiculo Y, é destacado para se juntar à trajetória da carga e do veiculo X,

- ao longo dessa trajetória, o pacote é transferido do veiculo X para o veiculo Y,

- o veiculo Y continua a trajetória de entrega da carga. O veiculo X fica livre para assumir outras

5 operações, tais como recarregar as suas baterias ou o transporte de outras cargas, eventualmente também com manobras de troca similares,

- O veiculo Y chega a f e deposita a encomenda no local desejado de entrega ou a encomenda é transferida para outro veiculo, repetindo este processo até a carga atingir a coordenada final, f.

O foco principal desta patente está relacionado com a etapa de transferência da sequência anterior. Esta transferência de carga útil (20) pode ocorrer de várias formas, incluindo as seguintes:

- ambos os veículos (X e Y) progridem ao longo da trajetória desejada para a carga. O veiculo Y inverte o voo de forma a que o mecanismo de preensão fique virado para cima, por baixo do veiculo X. O veiculo Y agarra a carga enquanto o veiculo X a liberta, ou

- ambos os veiculos (X e Y) estão viajando ao longo da trajetória de entrega. O veiculo X e o veiculo Y realizam uma manobra coordenada entre ambos, onde num dado momento a carga é transferida do veiculo X para o veiculo Y, havendo o contacto dos dois veiculos simultaneamente com a carga ou não.

Estas alternativas são representadas nas Figuras 2 e 3.

Num aspeto da presente invenção, considera-se adicionalmente a definição de sistemas e métodos de controlo e localização da carga para a transferência de parcelas/pacote entre vários veiculos ao longo de uma trajetória desejada.

Um veiculo aéreo - com os seus meios de voo - e o respetivo mecanismo, ou meios, de preensão, ou simplesmente garra, pode ser descrito como um modelo hibrido, onde as leis

6 físicas interagem com regras lógicas e restrições operacionais .

Havendo um modelo adequado para cada agente individual , é possível criar um controlador preditivo baseado em modelos híbridos ( do inglês , HMPC - Hybrid model predictive control ) . 0 HMPC pode combinar os di ferentes modelos híbridos dos meios de voo e da garra mencionados anteriormente com as restrições físicas do sistema e do meio envolvente e , daí , calcular as referências de traj etória de veículo necessárias , j untamente com as ações do mecanismo de preensão da carga mais adequadas .

Este resultado pode ser obtido resolvendo em cada instante de amostragem, t , um problema de controlo ótimo em malha aberta com um hori zonte de predição predefinido .

A solução deste problema de otimi zação pode consistir numa sequência de ações de controlo e previsões da evolução do veículo , dos quais a primeira ação de controlo é aplicada . No próximo instante , t+ 1 , um novo problema de controlo ótimo é resolvido com base nas novas medições de estado obtidas do sinal de controlo previamente calculado .

O problema de otimização resolvido a cada iteração pode ser visto como um problema de programação matemática linear mista ( com números reais e inteiros , conhecido em inglês pela sigla MILP - Mixed-integer linear programming) , onde o obj etivo é minimi zar uma função de custo cuidadosamente concebida para o efeito . Outros tipos de problemas de otimi zação ( e consequentemente de Modelos de Controle Preditivos , conhecido em inglês pela sigla MPC - Model Predictive

Control ) podem ser considerados , como os que envolvem modelos funcionais ou restrições não lineares .

7 Além desta estratégia de controlo do veiculo , outros métodos de controlo não lineares podem ser usados para alguns subsistemas do veiculo , com dinâmicas mais rápidas ou mesmo métodos de controlo distribuído para localmente conduzir os dois veiculos um em direção ao outro , por exemplo , usando sensores de fluxo ótico .

A sincroni zação entre os veiculos pode envolver a troca de informações entre estes , a fim de chegar a um consenso em termos da manobra de troca ou nos estados de controlo interno usados para pré- forma da manobra, sem a intervenção de uma unidade central de processamento . Como os veiculos estão próximos durante as manobras e as taxas de dados necessárias são baixas , o uso de WiFi ou outro meio de comunicação em linha de vista (por exemplo , novos protocolos de Internet das Coisas - IoT ( do inglês , Internet of Things ) ) é suficiente para atingir o comportamento desej ado com baixa latência .

Além dos meios de voo , cada veiculo é composto por um mecanismo de garra e pelo conj unto adj acente de sensores auxiliares , não essenciais para a presente invenção , nomeadamente , um sensor visual , um sensor de força e um sensor de posição angular do braço da garra . Num modo de reali zação , uma câmara é usada para melhorar a determinação da pose do pacote em relação ao respetivo veiculo , havendo a possibilidade de utili zar marcadores fiduciais para melhorar os resultados destas estimativas .

Como mostra o modo de reali zação da Figura 4 , o mecanismo de preensão da carga pode ser composto por dois pares de braços de preensão . Todos esses elementos movem-se simetricamente e de forma síncrona, com a aj uda de uma cadeia de engrenagem

8 (51) apropriada. O sistema é acionado por um servo motor (50) modificado conectado à base da estrutura. Para este fim, podem ser também usadas outras tecnologias de motores já que o sensor inserido no mecanismo permite o controlo da posição da garra. O movimento é transferido do motor para os meios de preensão (40) /garra através de um conjunto de engrenagens helicoidais, que também permite que a garra funcione como um mecanismo de travamento automático, o que significa que, quando os braços da garra estão fechados, nenhuma energia precisa ser fornecida ao motor. Um potenciómetro obtém a posição angular do braço da garra, para que esse estado possa ser facilmente obtido. Um sensor de limite de força, criado a partir da corrente elétrica extraída do motor, indica se a garra está a segurar um objeto ou não .

O mecanismo da garra é leve e robusto, podendo ser grande parte da sua estrutura construída através de técnicas de produção de impressão 3D. Este design do mecanismo da garra permite que o objeto seja agarrado pelos dois lados, sem interferência da garra oposta, como mostra o modo de realização da Figura 5. A velocidade e o momento angular disponível dos braços da garra permitem uma manobra de transferência rápida e segura. O mecanismo de preensão / da garra pode encontrar-se conectado à parte inferior do veículo, conforme observado nos modos de realização das Figuras 6 e 7, não havendo interferência entre a estrutura da garra e os meios de voo.

Como será evidente a um perito na especialidade, a presente invenção não deverá estar limitada aos modos de realização descritos no presente documento, sendo possíveis diversas alterações que se mantêm no âmbito da presente invenção. Evidentemente, os modos preferenciais acima apresentados são combináveis, nas diferentes formas possiveis, evitando-se aqui a repetição de todas essas combinações.

Lisboa, 7 de janeiro de 2022.

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