Brevet FR2686167A1 — publié le 19930716

- La présente invention se rapporte dans son ensemb Le aux robots, et p Lus particu Lièrement aux robots adaptés au dép Lacement sur des surfaces importantes. IL existe un grand nombre d'ouvrages concernant La Loca Lisation et la navigation de robots mobiles dans des environnements intérieurs ou extérieurs Des exemp Les de cette Littérature inc Luent Les références qui suivent, dont Les découvertes sont par Là-même incorporées au présent document par La référence qui y est faite: E W Kent et a L, "Rea L-Time Cooperative Interaction between Structured-Light and Ref Lectance Ranging for Robot Guidance", Robotica, Vol 3, Nov 1, pages 7 à 11, 1985; G.L Mi Ller et a L, "An Optica L Rangefinder for Autonomous Robot Cart Navigation", SPIE Mobile Robots II, Vo L 852, pages 132 à 144, 1987, N.S V Rao et al, "On Terrain Model Acquisition by a Point Robot Amidst Po Lyhedra L Obstacles", IEEE Journa L of Robotics and Automation, Vo L 4, N 4, pages 450 à 455, Aout 1988; T Nakamura, "Edge Distribution Understanding For Locating a Mobi Le Robot", SPIE Mobi Le Robots III, Vo L. 1007, pages 195 à 202, 1988; E.Y Rodin et a L, "Inte L Ligent Navigation for an Autonomous Mobi Le Robot", Proc of the 28th IEEE Conference on Decision and Contro L, Ft Lauderda Le, pages 366 à 369, Décembre 1989; T Ochi, "A Positioning System for Mobi Le Robots Using Symmetrical Rotating Laser Beams", Advanced Robotics, Vo L 4, N 3, pages 217 à 220, 1990; C.L Shih et a L, "A Unified Approach for Robot Motion P Lanning with Moving Polyhedra L Obstacles", IEEE Trans on Systems, Man and Cybernetics, Vol 20, NW 4, Jui L Let/Aout 1990; J J Leonard et a L, "Mobi Le Robot Loca Lization by Tracking Geometric Beacons" IEEE Trans on Robotics and Automation, Vo L 7, NW 3, Juin 1991; 2 2686167 Brevet américain N 5 005 128 "Automated Vehic Le Guidance System"; Brevet américain N 4 829 172 "Optical Ranging System Using Phase Shift Measurements"; Brevet américain N 4 788 441 "Range Finder for e g. Automatic Guided Vehicle". La présente invention a pour but de fournir un robot améLioré et économique, pour déplacement sur de grandes surfaces Un tel robot peut être uti Le pour une grande variété de tâches, telles que par exemp Le le nettoyage de sols, Les patrouilles de sécurité, et le transport de fournitures dans des hôpitaux, des bureaux ou des entrepôts. Ainsi, selon un mode de réa Lisation préféré de la présente invention est fourni un robot pour dép Lacement sur de grandes surfaces, incluant un châssis, un appareil manoeuvrable pour Le dép Lacement du châssis, un apparei L de navigation pour commander le fonctionnement de L'apparei L manoeuvrab Le, L'appareil de navigation comprenant: un télémètre à ba Layage monté sur le châssis; un apparei L associé au télémètre à balayage pour déterminer L'orientation azimutale d'un objet rétroréf Léchissant, dont la distance est simu Ltanément déterminée par Le télémètre à balayage; et un apparei L répondant à la distance détectée ainsi qu'à l'orientation angu Laire de L'objet rétroréf Léchissant, pour fournir des instructions de fonctionnement à l'appareil manoeuvrab Le. En outre, selon un mode de réalisation préféré de La présente invention, est fourni un robot pour déplacement sur grandes surfaces inc Luant un chassis, un apparei L manoeuvrable pour Le déplacement du châssis, un appareil de navigation pour commander Le fonctionnement de l'apparei L manoeuvrable, l'appareil de navigation comprenant: -3 -2686167 une p Lura Lité de rétroréf Lecteurs dont Le positionnement peut être choisi; un télémètre à balayage monté sur le châssis; un apparei L associé au téLémètre à balayage pour déterminer l'orientation azimuta Le d'un objet rétroréf Léchissant, dont La distance est simultanément déterminée par Le télémètre à balayage; et un appareil répondant à la distance détectée et à L'orientation angulaire pour fournir des instructions de fonctionnement à L'apparei L manoeuvrab Le. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le télémètre à ba Layage inclut un apparei L de téLémétrie en fonction du temps de trajet. De plus, selon un mode de réa Lisation de la présente invention, Le télémètre à balayage est utilisable pour détecter des distances aussi petites que 0,5 mètre. Se Lon encore un autre mode de réalisation préféré de La présente invention, L'appareil destiné à fournir des instructions de fonctionnement comprend un appareil pour détecter La distance et les orientations angulaires, par rapport à une p Luralité de rétroréf Lecteurs, et un apparei L destiné à fournir Les instructions de fonctionnement en réponse à une information conjugant les distances détectées et les angles par rapport à une p Luralité de rétroréf Lecteurs. La présente invention sera p Lus complètement comprise et appréciée à La lecture de La description détai LLée qui suit, prise en combinaison avec Les dessins dans Lesquels: la Fig 1 est une i L Lustration généra Le d'un système de robot à dép Lacement sur de grandes surfaces, ayant été construit et fonctionnant se Lon un mode de réalisation préféré de la présente invention; la Fig 2 est un diagramme vectoriel i L Lustrant Le ca Lcu L de positionnement du robot dans Le système de La Fig 1; -4 -2686167 La Fig 3 est une i L Lustration simp Lifiée d'une partie du robot de La Fig 1, selon un mode de réalisation préféré de l'invention; La Fig 4 est une illustration simplifiée d'une partie du robot de La Fig 1, se Lon un autre mode de réa Lisation préféré de l'invention; la Fig 5 est un diagramme synoptique simp Lifié, illustrant La partie électro-optique du robot des Figs 1 à 4; La Fig 6 est un diagramme synoptique plus détai LLé de L'apparei L de La Fig 5; et La Fig 7 est une illustration du fonctionnement d'une technique de navigation préférée utilisée par l'appareil de la présente invention. Référence est maintenant faite à la Fig 1, qui illustre un système de robot à déplacement sur grandes surfaces, construit et fonctionnant selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, et qui inc Lut un robot à déplacement sur grandes surfaces 10, conçu pour fonctionner dans une zone délimitée par une p Lura Lité de bornes rétroréf Léchissantes 11. Comme ce La est i L Lustré dans son ensemble à la Fig. 1, Le robot à dép Lacement sur grandes surfaces 10 comprend un châssis 12, qui est porté sur des roues motrices 13, et qui est en mesure de porter tout appareil de travail adéquat, tel qu'un appareil pour le nettoyage de sots, soit un appareil de lavage, cirage, balayage ou polissage Le châssis 12 porte éga Lement un appareil de guidage 14, qui sera décrit plus en détail dans La suite du texte, et qui inclut une tête de guidage optique 16. En se reportant maintenant aux Figs 2 et 7, on pourra apprécier qu'en généra L, la navigation du robot 10 est effectuée en déterminant l'ang Le a Lpha entre un cadre de référence établi par rapport au châssis du robot, et un vecteur s'étendant à partir du robot vers diverses bornes rétroréfléchissantes 11, également appe Lées "cibles". Une technique de navigation préférée pouvant être uti Lisée par L'apparei L de La présente invention est fondée sur la comparaison du gabarit entre les emplacements initiaux d'une pluralité de cibles de référence, avec les emplacements mesurés ensuite Cette technique est décrite dans son intégralité, dans Les références suivantes: H.S Baird, "Model-Based Image Matching Using Location", MIT Press, Cambridge, Ma; R O Duda et al, "Pattern Classification and Scene Analysis", John Wi Ley and sons, pages 276 à 284, et pages 305 à 328. Les exposés des références précédemment citées sont incorporés dans le présent document du fait même de la référence qui y est faite. Les étapes principales de l'algorithme sont Les suivantes: Lorsque Le robot est activé la première fois, les emplacements de toutes Les cib Les par rapport à La position initiale du robot sont mesurés Les données de distance et d'angle pour chaque cible sont échantillonnées et enregistrées sour forme de carte La carte des emplacements des cibles est de préférence présentée sous une forme géométrique plane, représentée par un système de coordonnées cartésiennes, ayant en son centre l'emplacement initial du robot et comme direction de référence, le cap initial du robot Cette carte représente le gabarit de référence. A chaque étape de La navigation, L'emplacement (distance et angle) de chaque cible est mesuré par rapport à la position et à l'orientation du robot à ce moment précis, et est représenté dans le même système de coordonnées cartésiennes que le gabarit de référence, ce qui définit un gabarit en vigueur. Chaque gabarit en vigueur est comparé avec Le gabarit de référence, par L'utilisation de la comparaison de gabarit par covariance, pour déterminer la translation 6 -2686167 relative (x,y) et la rotation (alpha) entre Les deux gabarits, tel que cela est intégralement décrit dans La référence suivante, dont Les enseignements sont incorporés au présent document par la référence même qui y est faite: C Munteanu et G Trottier, "Area Correlation Techniques in Remotely Piloted Vehicle Guidance", Report CRDV-4134-79, Canadian Defence Research Establishment Valcartier (Quebec), GRAI-7920, Mars 1979. Un vecteur de translation (x,y) définit la position du robot par rapport à sa position initiale, c'est-à dire La position du robot par rapport à la pluralité de cibles Ceci représente l'emplacement absolu du robot par rapport aux cibles, tel qu'illustré à la Fig 7. Un angle de rotation (alpha) définit l'orientation du robot par rapport au cap initial du robot et par rapport aux cibles Ceci représente L'orientation absolue du robot par rapport aux cibles. La position et le cap du robot peuvent être utilisés pour corriger la position du robot par rapport à une position nomina Le ca Lcu Lée au préalable, le Long d'une trajectoire du robot. Le procédé de comparaison avec le gabarit est illustré à la Fig 7 Un gabarit initial 19 est estimé avec des régions d'incertitude 21, pour chaque emplacement d'une cible 11 A chaque étape du procédé, un nouveau gabarit 23 est généré En comparant le gabarit initial 19 avec chaque nouveau gabarit 23, la position du robot (x,y) et le cap (alpha) avec une incertitude de position, sont définis par une région d'incertitude du robot 25 Le procédé de comparaison avec le gabarit inclut La recherche des matrices de transformation de translation et de rotation entre Les deux systèmes de coordonnées orthonorma Les cartésiennes, représentés par le gabarit initial et Le nouveau gabarit, en utilisant des techniques classiques. -7- IL est maintenant fait référence à La Fig 3, qui i Llustre un mode de réalisation préféré de La tâte de guidage optique, qui est uti Lisée dans Le système de robot de la présente invention Dans ce mode de réalisation, on trouve, à côté d'un dôme transparent 20, un assemblage de réflecteur de type périscope pivotant 22, comprenant de préférence un tube creux 24 sur Leque L est monté, selon une orientation inclinée par rapport à l'axe 26 du tube, un réflecteur de lumière 28, avec leque L la lumière communique en général verticalement parallèLe à L'axe 26, et en général horizontalement Le long d'un axe 30, généralement perpendiculaire à L'axe 26, par L'intermédiaire d'une fenêtre 32 formée dans le tube 24. Le tube 24 est de préférence monté sur rou Lements sur Le châssis 12, au moyen de roulements 34, et comporte un disque de codage rotatif 36, qui fonctionne conjointement avec un Lecteur 38, monté sur Le châssis 12 La rotation désirée du tube 24 autour de L'axe 26, par rapport au châssis 12, qui produit La rotation de L'axe 30 en azimut, peut âtre obtenue au moyen d'un dispositif de commande de rotation 40, qui peut comprendre un moteur pas à pas, dont Le rotor 42 peut être fixé au tube 24, et dont le stator 44 peut être fixé au châssis 12, tel qu'i L Lustré. Un émetteur 46 et un récepteur 48 peuvent communiquer par L'intermédiaire de l'assemb Lage réf Lecteur rotatif 22, à travers un dispositif de fractionnement des rayons, qui peut être de toute conception adaptée. Référence est maintenant faite à La Fig 4, qui i Llustre un autre mode de réa Lisation de la tête de guidage optique, uti Lisab Le dans Le système de robot de La présente invention Dans ce mode de réa Lisation, on trouve, disposé à côté d'un dôme transparent 60, un prisme 61 qui réf Léchit La Lumière vers un assemblage réf Lecteur rotatif 62 et à partir de ce Lui-ci, -8 -2686167 L'assemb Lage 62 comprenant de préférence un tube creux 64 sur Leque L est monté, se Lon une orientation inclinée par rapport à l'axe 66 du tube, un réflecteur partiel de Lumière ou dispositif de fractionnement de rayons 90, avec Leque L La Lumière communique en généra L vertica Lement para LLèLe à L'axe 66, et en généra L horizonta Lement Le Long d'un axe 70, généra Lement perpendicu Laire à L'axe 66. Le tube 64 est de préférence monté sur L'arbre 72 d'un moteur pas à pas 74, qui est monté de façon fixe sur le châssis 12, et comporte un disque de codage rotatif 76, qui fonctionne conjointement avec un Lecteur 78, monté sur le châssis 12 La rotation désirée du tube 64 autour de L'axe 66, par rapport au châssis 12, qui produit La rotation de L'axe 70 en azimut, peut être obtenue par La mise en fonctionnement du moteur pas à pas 74. Un émetteur 86 et un récepteur 88 peuvent communiquer par l'intermédiaire de L'assemb Lage réflecteur rotatif 62, à travers un dispositif de fractionnement des rayons 90, qui peut être de toute conception adaptée. Référence est maintenant faite à la Fig 5, qui i L Lustre sous forme de diagramme synoptique généra L, un apparei L électro-optique constituant une partie de L'appareil de guidage 14 (Fig 1) L'apparei L de guidage comprend une optique de communication 98, dont L'appareil des Figs 3 ou 4 fait partie, et à travers laque L Le un émetteur Laser 100 et un récepteur Laser 102 communiquent. L'émetteur Laser 100 et Le récepteur Laser 102 communiquent avec un processeur de télémétrie à laser 104, tel qu'un microprocesseur Intel 8051, qui commande éga Lement L'optique de balayage 98, par l'intermédiaire d'un dispositif de commande 106, te L qu'un amp Lificateur de puissance asservi -APEX O P 21, un codeur Hewlett Packard HEDS-5540, et un dispositif de commande HP HCTL- -9 -2686167 2000 Par exemp Le, Les instructions de visée d'azimut pour L'optique décrite aux Figs 3 et 4, peuvent être fournies par Le processeur 104, par L'intermédiaire du dispositif de commande 106 Un ordinateur de bord du robot 108, tel que des microprocesseurs Intel 80286 et 80287, communique avec Le processeur de télémétrie à laser 104, par l'intermédiaire d'un bus de communication 110. Référence est maintenant faite à La Fig 6, qui i L Lustre des parties de L'apparei L de La Fig 5 p Lus en détai L On voit que L'émetteur laser comprend typiquement une électronique d'émission 112, te L Le qu'un circuit modu Lateur à déclenchements et impulsions, qui, à son tour, fournit un signa L de courant, qui commande un Laser 114, tel qu'une diode laser RCA-C 86091 E. La Fig 6 indique également que Le récepteur Laser comprend de préférence un détecteur tel qu'un détecteur PIN 116, qui produit une sortie, par L'intermédiaire d'un amplificateur 118, vers L'ensemb Le de circuits de traitement du signa L 119, qui à son tour produit une sortie vers Le processeur de télémétrie à laser 104 On voit également que le dispositif de commande 106 reçoit une entrée provenant du détecteur d'ang Le 120, tel qu'un codeur pivotant, et produit des sorties de commande vers un moteur 122, tel qu'un moteur pas à pas, qui a pour fonction de faire pivoter un assemb Lage -à réf Lecteur rotatif 22 ou 62 (Figs 3 et 4). Les hommes de L'art se rendront compte que la présente invention n'est pas Limitée par ce qui a été montré et décrit dans ce qui précède En fait, L'objet de La présente invention est défini uniquement par Les revendications qui suivent. 2686167 REVENDICATIONS 1 Robot à dép Lacement sur grandes surfaces comprenant: un châssis; des moyens manoeuvrables pour le déplacement du châssis; des moyens de navigation pour commander Le fonctionnement des moyens manoeuvrables, Lesdits moyens de navigation comprenant: un télémètre à balayage monté sur Le châssis; des moyens associés au télémètre à balayage pour déterminer l'orientation azimutale d'un objet rétroréf Léchissant, dont la distance est simu Ltanément déterminée par le télémètre à balayage; et des moyens capables de répondre à la distance détectée et à l'orientation angu Laire de L'objet rétroréfléchissant pour fournir des instructions de fonctionnement aux moyens à commander. 2 Robot à déplacement sur grandes surfaces comprenant: un châssis; des moyens manoeuvrables pour le déplacement du châssis; des moyens de navigation pour commander le fonctionnement des moyens manoeuvrables, Lesdits moyens de navigation comprenant: une pluralité de rétroréflecteurs dont le positionnement peut être choisi; un télémètre à balayage monté sur le châssis; des moyens associés au télémètre à balayage pour déterminer l'orientation azimutale d'un objet rétroréfléchissant, dont la distance est simultanément déterminée par Le télémètre à balayage; et des moyens capables de répondre à La distance détectée et à L'orientation angulaire de L'objet rétroréfléchissant pour fournir des instructions de fonctionnement aux moyens manoeuvrables. il 2686167 3 Apparei L se Lon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit téLémètre à balayage inc Lut des moyens de télémétrie en fonction de la durée du trajet. 4 Apparei L selon l'une que Lconque des revendications précédentes et dans Lequel Ledit téLémètre à ba Layage est en mesure de fonctionner pour détecter des distances comprises entre un minimum de 0,5 mètre et un maximum de mètres. Apparei L selon L'une quelconque des revendications précédentes dans lequel Lesdits moyens pour fournir des instructions de fonctionnement comprennent des moyens pour détecter la distance et Les orientations angulaires par rapport à une pluralité de rétroréf Lecteurs, et des moyens pour fournir des instructions de fonctionnement en réponse à une information combinant les distances et les angles détectés par rapport à Ladite pluralité de rétroréf Lecteurs.