DE60119462T2

DE60119462T2 - Unbemannte mobile Vorrichtung

Info

Publication number: DE60119462T2
Application number: DE60119462T
Authority: DE
Inventors: Arie Yavnai
Original assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Current assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: US20020060267A1; IL138695A; IL138695A0; JP2002200990A; EP1193168B1; EP1193168A2; EP1193168A3; US6588701B2; ATE325739T1; DE60119462D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ferngesteuerte, unbemannte, mobile Vorrichtungen, die ausgelegt sind, um als Späh-Roboter zu funktionieren, um Information zu sammeln im Hinblick auf Zustände, die in einem Katastrophengebiet vorherrschen, und diese Information an eine Rettungsmission zu übermitteln.
STAND DER TECHNIK
In Katastrophensituationen kann die rechtzeitige Verfügbarkeit von genauer Information über die Zustände, die am Katastrophenort vorherrschen, für den Erfolg einer Rettungsmission entscheidend sein. Typischerweise aber nicht ausschließlich sind solche Situationen eine Explosion in einer chemischen Fabrik, das Austreten gefährlichen Materials in einem Stadtgebiet, ein Atomreaktorunfall oder ein Erdbeben als auch andere schwerwiegende ökologische Katastrophen und Naturkatastrophen.
Soll eine Rettungsmission danach suchen, im Vorhinein Information im Hinblick auf die Zustände, die im Katastrophengebiet herrschen, zu erlangen, so dass sich die Mission für passende Rettungsverfahren entscheiden kann, so kann es in vielen Fällen sein, dass dieser Versuch Kundschafter, denen diese Aufgabe zugewiesen wurde, lebensgefährlichen Risiken aussetzt. Wenn es sich beispielsweise beim Katastrophengebiet um das Gelände eines Atomreaktorunfalls handelt, bei dem in das Gebiet tödliche radioaktive Teilchen freigesetzt wurden, würden Kundschafter, denen angewiesen wurde, dieses Gebiet zu betreten, krank.
Die vorliegende Erfindung besteht in einer ferngesteuerten, unbemannten mobilen Vorrichtung (Unmanned mobile device, UMD), die als ein Späh-Roboter dient, der ausgebildet ist im Auftrag einer Rettungsmission ein Katastrophengebiet zu betreten und zu erkunden, um Information im Hinblick auf die Zustände, die im Gelände vorherrschen, zu sammeln und diese Information an die Mission zu übermitteln. Die UMD ist entweder in einem Luftbeweglichkeits-Modus oder in einem Bodenbeweglichkeits-Modus betreibbar, so dass sie das Gelände vollständig erforschen kann. Während die Zustände, die am Katastrophengelände vorherrschen, das Leben eines lebendigen Kundschafters bedrohen können, können sie einem Späh-Roboter nichts anhaben.
Da die UMD in ihrem Luftmobilitätsmodus in einer Art ähnlich wie die eines Senkrechtstart- und -landefahrzeugs (VTOL) funktioniert, ist in dieser Hinsicht das unbemannte VTOL-Luftfahrzeug, das beispielsweise im US-Patent Nr. 5,295,643 von Ebbert et al. beschrieben ist, im Hinblick auf den Stand der Technik von Interesse. Diese Vorrichtung kann ein vertikales Starten und Landen in beschränkten Gebieten durchführen. Sie kann auch in einen horizontalen Flug hoher Geschwindigkeit übergehen und für eine Zeitdauer schweben und herum streifen. Das Fahrzeug umfasst koaxiale Vorwärts- und Rückwärts-Zentralkörper und einen Mantelrotor, der eine Vielzahl von Propellern aufweist. Der in einem Kanal geführte Flügel ist aerodynamisch effizient und er ist durch seine nicht freiliegenden Rotorblätter sicher.
Und da die UMD gemäß der Erfindung, wenn sie in einem Bodenbeweglichkeitsmodus arbeitet, auf dem Terrain des Katastrophengeländes gehen kann, wie schwierig das Terrain auch ist, so ist der mehrbeinige Gehroboter, der beispielsweise von Takeuchi im US-Patent Nr. 5,842,533 beschrieben ist, im Hinblick auf den Stand der Technik von Interesse. Diese Vorrichtung kann auf einem unebenen Boden gehen, während sie eine Nutzlast trägt. Dieser mehrbeinige Gehroboter liefert einige der Grundfertigkeiten für den Bodenmobilitätsteil einer Dual-Modus-UMD-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Im sechsbeinigen Gehroboter, der von Paynter im US-Patent Nr. 5,040,626 beschrieben ist, weist jedes Bein, das aus zwei Gliedern zusammengesetzt ist, drei gesteuerte Freiheitsgrade einer Rotationsbewegung auf. Diese Vorrichtung kann auch auf einem unebenen Boden gehen und eine Nutzlast tragen.
Die Fähigkeit zur Vermeidung von Hindernissen und die Innenraumnavigationsfähigkeit wird benötigt, um die Mission eines Späh-Roboters in einer zerstörten Umgebung auszuführen. Ein System für das Vermeiden von Hindernissen und die Planung eines Weges ist von Takenaka im US-Patent Nr. 5,502,638 beschrieben. Ein Überblick über Sensoren und Techniken, die für eine Innenraumpositionierung geeignet sind, ist aufgeführt in Borenstein, J. et al., „Mobile Robot Positioning – Sensors and Techniques", The Journal of Robotic Systems, Vol. 14. Nr. 4, 1997, Seiten 231–249, und in Borenstein, J. et al., „Navigating Mobile Robots: Sensors and Techniques", A. K. Peters Ltd., Wellesley, MA, 1995.
Hintergrund des Stands der Technik im Hinblick auf Mantelstrom-VTOL-Vorrichtungen, Gehroboter, verteilte dezentralisierte Steuerung und Kontrolle von mehreren mobilen Vorrichtungen als auch eine Einheit für die Befehlssteuerung von Mobilvorrichtungen sind in folgenden US-Patenten zu finden:
Patent 5,295,643 (1994) – Mantelstrom-VTOL
Patent 5,842,533 (1998) – Gehroboter
Patent 5,040,626 (1991) – Gehroboter
Patent 5,502,638 (1996) – Wegplanung und Hindernisvermeidung
Patent 5,340,056 (1994) – Aktives Verteidigungssystem – Zusammenwirken mehrere UAVs (verteilte-dezentralisierte Betätigung und Steuerung mehrerer unbemannter Vorrichtungen)
Von Interesse im Hinblick auf den Stand der Technik in Bezug auf verschiedene Merkmale, die in einem UMD-Späh-Roboter gemäß der Erfindung eingeschlossen sind, sind auch die folgenden Publikationen:

Chen, Chun-Hung et al., „Motion Planning of Walking Robots in Environments with Uncertainty", Journal of Robotic Systems, John Wiley & Sons, Inc., Band 16, Nr. 10, 1999, Seiten 527–545.
Todd, D. J., "Walking Machines – An Introduction to Legged Robots", Kogan Page Ltd., London U.K., 1985, Seiten 63–168.
Movarec, Hans P., "Robot Rover Visual Navigation", UMI Research Press, Ann Arbor, Michigan, 1981, Seiten 49–147.
Thorpe, Charles E., ed., "Vision and Navigation", Kluwer Academic Publishers, Norwell MA., 1990, pp.
Robert, Luc et al., "Applications of Non-Metric Vision to Some Visually Guided Robotic Tasks", in Aloimonos, Yiannis, ed., "Visual Navigation-From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 89–134.
Weng, J. J., et al., "Visual Navigation Using Fast Content-Based Retrieval", in Aloimonos, Yiannis, ed., "Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 178–217.
Dean Thomas, et al., "Planning and Navigation in Stochastic Environments", in Aloimonos, Yiannis, ed., "Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 251–274.
Adams, Martin David, "Sensor Modeling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation", World Scientific Publishers, Singapur, 1999, Seiten 153–208.
Song, Shin-Min, et al., "Machines That Walk", The MIT Press, Cambridge, MA, 1989, Seiten 23–281.
Fahlstrom, Paul G., et al., „Introduction to UAV Systems", UAV Systems Inc., Columbia, Maryland, 1993, Seiten II 42–II 47.
Kohlman, David L., "Introduction to VSTOL Airplanes", Iowa State University Press, Ames, Iowa, 1981.
Yavnai A., "Distributed Decentralized Architecture for Autonomous Cooperative Operation of Multiple Agent System", in Proceedings of IEEE Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology, 19–, 20 Juli 1994, Cambridge, Seiten 61–67.
Arlowc, H. D., "Airborne Remote Operated Device", Proceedings of the 15th Annual Technical Symposium of the Association of Unmanned Vehicle Systems, San-Diego, CA., Juni 6–8, 1988, Seiten 1–13.
Borenstein, J. et al., "Mobile Robot Positioning – Sensors and Techniques", The Journal of Robotic Systems, Band 14, Nr. 4, 1997, Seiten 231–249.
Borenstein, J., et. Al., "Navigation Mobile Robots: Sensors and Techniques", A. K. Peters Ltd., Wellesley, MA., 1995.

Die WO 95/30575, die den nächstliegendsten Stand der Technik darstellt, beschreibt ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV), das einen ringförmigen Rumpf und einen Rotoraufbau aufweist, der ein Paar von sich in entgegengesetzter Richtung drehenden Rotoren besitzt, die in einer festen koaxialen Kombination mit dem ringförmigen Rumpf befestigt sind, um eine Fähigkeit zum vertikalen Landen und Starten (VTOL) für das UAV zu liefern. Eine Ausführungsform des VTOL-UAV ist insbesondere für Bodenüberwachungsmissionen konfiguriert durch den Einschluss eines extern montierten, fernsteuerbaren, verstaubaren Sensoruntersystem (250), das eine azimutale Abtastfähigkeit und eine vorbestimmte Höhen/Vertiefungs-Abtastfähigkeit liefert, um die Bodenüberwachungsmission zu erfüllen, und ein faltbares Landegestelluntersystem (300), um das Landen des VTOL UAV auf nicht präparierten Bodenoberflächen zu erleichtern. Das faltbare Landegestelluntersystem umfasst eine Vielzahl von Beinen (302), wobei ein Ende jedes Beins lösbar in Kombination mit dem ringförmigen Rumpf befestigt werden kann, einen Fuß, der ein Kissenelement (312) umfasst, das drehbar am anderen Ende jedes Beins befestigt ist, und ein nicht strukturelles Gelenk, das an jedem Bein und dem ringförmigen Rumpf befestigt ist. Die nicht strukturellen Gelenke (306) liefern die Fähigkeit, das Landegestelluntersystem in eine Staukonfiguration zu falten, bei der jede Kombination aus einem Bein und einem drehbaren Fuß in die Hülle des ringförmigen Rumpfs gefaltet wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des Vorangehenden besteht die Hauptaufgabe dieser Erfindung, eine ferngesteuerte, unbemannte mobile Vorrichtung (UMD) zu liefern, die ausgelegt ist, um als ein Späh-Roboter im Auftrag einer Rettungsmission zu funktionieren, um ein Katastrophengebiet zu betreten und es zu erkunden, um Information zu sammeln im Hinblick auf die Zustände, die in diesem Gebiet vorherrschen und um diese Information an die Mission zu übermitteln, die dann über Rettungsaktionen, die den vorherrschenden Zuständen gemäß sind, entscheiden kann. Die UMD kann, wenn erforderlich und passend, für zusätzliche Funktionen ausgelegt sein.
Eine speziellere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine UMD mit doppelter Mobilität zu liefern, die entweder in einem Luftbeweglichkeitsmodus oder in einem Bodenbeweglichkeitsmodus betreibbar ist, um es für den Späh-Roboter möglich zu machen, den Katastrophenort vollständig zu erkunden.
Unter den signifikanten Vorteilen des UMD-Späh-Roboters gemäß der Erfindung sind die folgenden:

A. Die UMD kann von einer nahen sicheren Station in das Katastrophengebiet fliegen und das Gebiet erkunden, um Information im Hinblick auf die Zustände, die im Gebiet vorherrschen zu sammeln, wobei die Information an das Personal einer Rettungsmission übertragen wird, das beim Sammeln der Information keinem Risiko ausgesetzt ist.
B. Wenn die UMD im Katastrophengebiet ankommt, sammeln ihre an Bord befindlichen Sensoren die Information, die von der Rettungsmission benötigt wird, weiter, wobei die Information an das Personal der Rettungsmission weitergegeben wird, diesem somit mögliche Gefahren angegeben werden, auf die sie stoßen können, wenn sie das Katastrophengebiet betreten und dann Schritte unternehmen können, um diese Gefahren zu vermeiden.
C. In ihrem Bodenbeweglichkeitsmodus kann die UMD schwieriges Gelände durchqueren und durch zerstörte Strukturen und Ruinen gehen, um das gesamte Gebiet zu erkunden.
D. Wenn mehrere UMDs von einer Rettungsmission verwendet werden, um ein Katastrophengebiet zu erkunden, können sie miteinander kommunizieren, um ihre Aktivität zu koordinieren.
E. Die UMD weist eine kompakte Form und ein geringes Gewicht auf, indem sie hauptsächlich aus Miniaturbauteilen zusammengesetzt ist.
F. Die UMD sollte vorzugsweise mit einer Nutzlast ausgerüstet sein, die, wenn sie benötigt wird, aktiviert werden kann.

Kurz gesagt, diese Aufgaben werden erfüllt in einer ferngesteuerten, unbemannten mobilen Vorrichtung (UMD), die ausgebildet ist, um als ein Späh-Roboter zu funktionieren, um ein Katastrophengebiet zu betreten und es zu erkunden und um einer Rettungsmission Information zu übermitteln im Hinblick auf die Zustände, die im Gebiet vorherrschen, um es für die Mission möglich zu machen, diesen Zuständen entsprechende Rettungsmaßnahmen zu ergreifen.
Die UMD ist in zwei Modi betreibbar. In ihrem Luftbeweglichkeitsmodus kann die UMD vertikal starten und landen, um zum Gebiet zu fliegen und dann darüber zu schweben. In ihrem Bodenbeweglichkeitsmodus kann die UMD auf ihren Beinen über schwieriges Gelände durch zerstörte Strukturen und Ruinen gehen. Die UMD ist mit Zustandsmessdetektoren für das Sammeln von Daten im Hinblick auf Zustände, die auf dem Gelände vorherrschen, und mit Positionsmesssensoren für das Vermeiden von Hindernissen im Bewegungsweg der UMD versehen, um somit eine sichere Mobilität zu gewährleisten. Andere Sensoren beherrschen georeferenzierte Navigations- und Flugsteuerfunktionen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Erfindung als auch anderer Aufgaben und Merkmale von ihr, wird auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen.
1(a) und 1(b) sind perspektivische Ansichten eines unbemannten, mobilen Fahrzeugs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; 1(a) zeigt die Vorrichtung, wenn ihre Beine eingezogen sind, 1(b) zeigt dieselbe Vorrichtung mit ausgefahrenen Beinen;
2 ist eine perspektivische Ansicht der unbemannte, mobilen Vorrichtung in alternativen Mobilitätsmodi;
3(a) und 3(b) sind Aufsichten beziehungsweise Seitenansichten der unbemannten, mobilen Vorrichtung in einem Geländegehmodus;
4 ist eine perspektivische Ansicht der unbemannten, mobilen Vorrichtung in einem typischen Datensammel- und Situationsüberwachungsszenario in einem Katastrophengebiet;
5 ist eine Aufsicht auf die Anzeige der tragbaren Befehls- und Steuereinheit;
6 ist ein funktionelles Diagramm der Architektur der Elektronikeinheit;
7 ist ein Diagramm der Hauptbetriebs- und Mobilitätsmodi und der zugehörigen Zwischenmodus-Übergangslogik; und
8(a) und 8(b) sind Pläne eines Gebäudeinneren und ihre zugehörige auf einem Graphen basierende Datenstrukturdarstellung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Während sich für eine bequeme Erläuterung die Beschreibung hauptsächlich auf eine UMD richtet, die von Rettungskräften in Katastrophengebieten verwendet wird, werden Fachleute leicht erkennen, das die UMD der Erfindung auf keinen Fall an diese Anwendung gebunden ist. Somit kann die UMD der Erfindung durch eine Bedienperson oder durch Bedienpersonen in jedem interessierenden Gebiet verwendet werden.
Die UMD: Eine UMD gemäß der Erfindung ist ausgelegt, um als ein Späh-Roboter zu funktionieren, um ein Katastrophengebiet zu erkunden. Wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt ist, besteht die Grundstruktur der UMD 10 aus einem ringförmigen Kanal 11, der einen Rotor- und Propelleraufbau 12 und einen Hauptzentralkörper 13 umgibt. Der Zentralkörper 13 wird innerhalb des Kanals 11 durch strukturierte Elemente, wie eine Anordnung von Verstrebungen 14 getragen. Diese Basisstruktur schafft ein in einem Kanal eingeschlossenes aerodynamisches Gebläse, das einen Luftstrom durch den Kanal bläst, um die UMD voran zu treiben.
Die hier gezeigte Ausführungsform der UMD ist sehr kompakt und leicht vom Gewicht her. Der Kanal 11 weist einen Durchmesser von 0,4 Metern auf. Das Gesamtstartgewicht der UMD beträgt 2 kg (2000 Gramm). Das primäre strukturelle Material für die UMD ist KELVAR, das ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis aufweist. Die Erfindung kann natürlich in anderen Späh-Roboterstrukturen, die andere Gewichte und Abmessungen aufweisen, verkörpert werden.
Der Zentralkörper 13 nimmt die Hauptmaschine, die Energiequelle und das Elektronikabteil, das eine Computereinheit enthält, auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Hauptrotormaschine ein elektrischer bürstenloser Gleichstrommotor, der eine Ausgangsleistung von 200 Watt aufweist. Die Energiequelle wird durch eine Reihe von Lithium-Batterien gebildet. Strukturelemente 14 befestigen den Zentralkörper 13 am Kanal 11.
Die Luftmobilitätsfähigkeit der UMD basiert im wesentlichen auf dem Konzept eines Mantelstromgebläse-VTOL-Luftfahrzeugs, wie es bei Ebbert et al. im US-Patent Nr. 5,295,643 beschrieben ist. Eine kreisförmige Anordnung von Steuerluftleitblechen 15, die innerhalb des ringförmigen Kanals 11 montiert sind, bieten die aerodynamischen Mittel, die notwendig sind, um den Flug und die Lage der UMD zu steuern.
Im Betrieb, verleiht, wenn die angetriebenen Propeller im Mantelstromgebläse sich drehen, um einen Luftstrom in vertikaler Abwärtsrichtung zu blasen, dies der UMD die notwendigen Hebekräfte. Um zu veranlassen, dass sich die UMD vertikal hin zur Erde absenkt, wird die Rotorgeschwindigkeit reduziert. Die Beine der UMD werden dann ausgestreckt, um als Landegestellt zu dienen. Nach dem Landen im Katastrophengebiet oder sonst wo, dienen die Beine dazu, den Roboter aufrecht zu halten und als ein Gehmechanismus.
Wenn sich die UMD in der Luft befindet, wird ihre Flugrichtung durch die vier Luftleitbleiche 15 gesteuert, die den Luftstrom, der aus dem Kanal geblasen wird, unterbrechen, um eine seitliche Kraft zu erzeugen, um zu bewirken, dass die UMD in Abhängigkeit von der Winkelposition der vier Luftleitbleiche in der in 1(a) gezeigten kreisförmigen Anordnung in die Nord-, Süd-, Ost- oder West-Richtung fliegt.
Um die Geonavigations- und Flugsteuerfunktionen der UMD zu unterstützen, sind mehrere Sensoren für diesen Zweck erforderlich. Dies umfassen (siehe 6, die die Einheiten im elektronischen Abteil zeigt) die folgenden:

(a) Drei piezoelektrische Kreisel 62 (wie den Piezo-Kreisel Model HMX M1010, kommerziell erhältlich von Heli-MAX, der nur 13 Gramm wiegt)
(b) GPS-Empfänger 63
(c) 3D-Magnetometer 64
(d) Zwei piezoelektrische Neigungssensoren 65

Die Betätigungsmittel für die Flugsteuerung umfassen die Rotorsteuerung 76 und Steuerluftleitblechservorbetätigungsvorrichtungen 77 für die vier Luftleitbleche. Der erforderliche Satz von Sensoren 17, wie er in 1(a) gezeigt ist, wird in einem Gehäuse 16 aufgebaut, dass außen am ringförmigen Kanal montiert ist.
Eine Kommunikationseinheit 18, die mit einer Antenne 19 versehen ist, ist auf der äußeren Oberfläche des Mantelstromgebläses 11 montiert. Komponenten niedrigen Gewichts werden für das Implementieren der Kommunikationseinheit 18 bevorzugt. Beispielsweise wiegt das FM-Empfängermodell TETRA 301FM, das kommerziell von FMA Direct Inc. erhältlich ist, nur 14 Gramm und liefert das an Bord befindliche Ende der Aufwärtsverbindung (siehe 6). Ein Videosendermodell TSG TX, das kommerziell von der Security Group erhältlich ist, wiegt auch nur 14 Gramm und liefert das an Bord befindliche Ende der Abwärtsverbindung 69.
Die Kommunikationseinheit 18 errichtet eine drahtlose Zweiwegedatenverbindung zwischen der UMD 10 und dem entfernt angeordneten Bedienpersonal. Sie errichtet auch eine drahtlose Zweiwegedatenverbindung zwischen der UMD 10 und anderen UMDs, um eine Mission zu koordinieren, die einer Gruppe von UMDs zugeordnet wurde.
Fachleute werden leicht erkennen, dass die Erfindung auf keinen Fall durch die spezifische Struktur der UMD gemäß den 1(a) und 1(b) beschränkt ist, und ebenso ist sie nicht durch die Systemarchitektur, die unter Bezug auf 6 beschrieben wird, beschränkt.
Verschiedene Lösungen wurden bisher vorgeschlagen, um das Problem einer Betätigung und Steuerung mehrere unbemannter, mobiler Systeme zu lösen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine verteilte, dezentralisierte Architektur verwendet, deren Details beschrieben sind in Yavnai A., „Distributed Decentralized Architecture for Autonomous Cooperative Operation of Multiple Agent System" in Proceedings of IEEE Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology 19–20 Juli 1994, Cambridge, Seiten 61–67 und Guelman, M., und Yavnai, A. im US-Patent 5,340,056, 1994.
Die Geländemobilität der Spähvorrichtung wird durch die Verwendung mehrerer aktiver mechanischer Beine, um die UMD abzustützen und zu bewirken, dass sie auf dem Terrain des Katastrophengebietes geht, erzielt. 1(a) zeigt eine Situation, in der sich die Beine in einem eingezogenen Zustand befinden. In der vorliegenden Ausführungsform sind vier Beine vorgesehen, die ähnlich denen sind, die in 1 des US-Patents Nr. 5,842,533 von Takeuchi gezeigt sind.
In der vorliegenden Ausführungsform besitzt jedes Bein zwei Glieder, nämlich ein oberes Glied 21 und ein unteres Glied 20. Die kinematische Anordnung der Beinverbindungen und der Glieder der vorliegenden Erfindung ist ähnlich der, die in 9 des US-Patents Nr. 5,040,626 von Paynter gezeigt ist. Das obere Glied 21 wird durch eine Doppelbetätigungsvorrichtung 22, die auf der äußeren Oberfläche des Kanals 11 montiert ist, betätigt. Eine aktive Verbindung 23 liefert einen relative, gesteuerte Bewegung mit einem Freiheitsgrad zwischen dem oberen Glied 21 und dem unteren Glied 20, wobei jedes untere Glied 20 einen Fuß 24 aufweist. Die Beine funktionieren auch als Landegestellverstrebungen, vorzugsweise mit einem Energieabsorptionsvermögen. Die Beine können Bodenunebenheiten kompensieren, so dass der Hauptkörper der UMD 10 in einem horizontalen Zustand gehalten wird.
Ein Nutzlastgehäuse 25 ist oben auf dem Zentralkörper 13 über dem Rotoraufbau montiert. Das Gehäuse 25 weist ein optisches Fenster 26 auf, um die inneren elektro-optischen Sensoren und zugehörige Elektronik zu schützen. Der Hauptsensor, der im Nutzlastgehäuse 25 untergebracht ist, ist eine Videokamera 70, wie eine CCD-Videokamera mit einer Auflösung von 256 × 256 Pixeln, wie das Modell SG-2000-CMOS, das kommerziell von der Security Group erhältlich ist (Gewicht 5 Gramm). Eine Licht aussendende Einheit ist mit der Videokamera 70 in der Sichtlinie ausgerichtet, um einen Kamerabetrieb bei wenig Licht zu erleichtern. Eine nicht gekühlte Infrarotkamera 71 (siehe 6) ist auch als eine Option eingeschlossen. Das Nutzlastgehäuse 25 kann sich um 360 Grad um eine Achse drehen, die mit der Zentralachse des Zentralkörpers 13 und mit der Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Diese Rotation wird durch einen leichtgewichtigen Gleichstromservomotor 79 bewirkt. Ein geeigneter Motor für diesen Zweck ist ein Gleichstromservomodell LS-3.0, das kommerziell von Wes-Technik, Deutschland erhältlich ist (Gewicht 3 Gramm).
Während im Beispiel oben die Nutzlast das Gehäuse 25 einschließt, das mit einem Fenster 26 für das Aufnehmen der Videokamera 70 und möglicherweise auch der IR-Kamera 71 ausgerüstet ist, kann bei einer anderen Ausführungsform eine andere Nutzlastausrüstung zusätzlich oder anstatt der spezifizierten Videokamera und der IR-Kamera in Abhängigkeit von der oder den vorgesehenen Mission(en) der UMD verwendet werden.
Wendet man sich nun der 2 zu, so kann die UMD in mehreren alternativen Modi betrieben werden. In einem Standmodus 30 wird die UND 10 durch die Beine, die von ihr ausgefahren sind, getragen, die das Gewicht der UMD tragen und auch Bodenunebenheiten kompensieren, um den Hauptkörper der UMD in einem waagrechten Zustand zu halten.
In einem Schwebemodus 31 kann sich die UMD 10 in eine der drei alternativen Richtungen bewegen: (1) vertikales Starten 35; (2) vertikales Landen 34; und (3) Schwebeflug 36. Sie kann auch über demselben Ort in einem Haltemodus schweben. Im Marschflugmodus 32 fliegt die UMD 10 dann in die Richtung 37. In einem Gehmodus 33 geht die UMD 10 dann auf dem Boden oder erklimmt Treppen in der allgemeinen Richtung 38. In einem Bodenbeweglichkeitsmodus kann die UMD 10 entlang des Bodens unter Verwendung der Beine als Stützmechanismus kriechen oder sich sonst wie bewegen.
Die 3(a) und 3(b) zeigen die UMD 10 in einem beispielhaften Gehmodus. 3(a) ist eine Aufsicht und 3(b) ist eine Seitenansicht. Die UMD 10 ist gezeigt, wie sie sich auf einem unebenen Terrain 27 in der allgemeinen Richtung 28 bewegt. In der vorliegenden Ausführungsform weist die UMD 10 vier Beine auf, wobei jedes Bein durch zwei miteinander verbundene Glieder, dem oberen Glied 21 und dem unteren Glied 20, gebildet wird. Das obere Glied 21 wird durch eine Doppelbetätigungsvorrichtung 22, die auf der äußeren Oberfläche des Kanals 11 montiert ist, betätigt. Die Doppelbetätigungsvorrichtung 22 liefert zwei gesteuerte Drehbewegungen um Achsen rechtwinklig zum oberen Glied 21 mit einem Freiheitsgrad.
In der vorliegenden Ausführungsform wird jeder Freiheitsgrad der Doppelbetätigungsvorrichtung 22 durch einen leichtgewichtigen (mehrere Gramm), bürstenlosen Gleichstromdrehservomotor, wie ein Gleichstromservomodell LS-3.0, das kommerziell von Wes-Technik, Deutschland (Gewicht 3 Gramm) erhältlich ist, geliefert. Eine aktive Kupplung 23 liefert eine relative gesteuerte Drehbewegung mit einem Freiheitsgrad zwischen dem oberen Glied 21 und dem unteren Glied 20. Die Bewegung mit einem Freiheitsgrad der aktiven Kupplung 23 der vorliegenden Erfindung wird auch durch einen leichtgewichtigen bürstenlosen Gleichstromdrehmotor, wie den oben angegebenen Gleichstromservomotor Modell LS-3.0 geliefert.
Alle drei Freiheitsgrade jedes Beines sind Drehbewegungen und jede davon wird durch einen Drehbetätigungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad geliefert. Die kinematische Anordnung der Beinkupplungen und der Glieder der vorliegenden Erfindung ist in einer Ausführungsform ähnlich der, die in 9 im US-Patent Nr. 5,040,626 von Paynter gezeigt ist. Die Doppelbetätigungsvorrichtung 22 liefert die zwei Drehbewegungen um Achsen, die analog der Achse 1 und der Achse 2 in der 9 des Patents von Paynter sind. Die Betätigungsvorrichtung 23 liefert die Drehbewegungen um eine Achse, die analog der Achse 3 in der oben angegebenen 9 ist. Die Gesamtzahl der aktiven gesteuerten Freiheitsgrade des Gehmechanismus in der vorliegenden Ausführungsform ist somit zwölf. Jedes untere Glied 20 weist einen Fuß 24 auf. Der Fuß kann entweder am unteren Glied 20 befestigt sein, oder er kann mit dem unteren Glied 20 über ein Gelenk oder über ein passives, elastisches, Energie absorbierendes Element, wie eine Feder, oder eine Kombination daraus verbunden sein. Die Beine funktionieren auch als Landegestellverstrebungen, vorzugsweise mit einer Fähigkeit zur Energieabsorption. Die Beine können Unebenheiten des Bodens kompensieren, um den Hauptkörper waagrecht zu halten.
Eine automatische Steuerung der Beinbewegung ist notwendig, um die Geländemobilität der UMD zu nutzen. Dies ist insbesondere in einem zerklüfteten Terrain oder einer solchen Umgebung erforderlich, wenn beispielsweise die UMD auf zerstörte Gebäude trifft. Diese Fähigkeit erhöht die relativ komplexen Steuerprobleme. Beispielsweise müssen in der vorliegenden Ausführungsform bis zu zwölf Freiheitsgrade gleichzeitig gesteuert werden. Somit wird das Steuersystem aufgefordert, zwölf koordinierte Befehle an die Betätigungsvorrichtungen (beispielsweise an die Gleichstromservomotoren) gleichzeitig in Echtzeit auszugeben.
Einige der Prinzipien der Steuerung eines mehrbeinigen Gehmechanismus in der vorliegenden Ausführungsform basieren auf Techniken, die in den folgenden Publikationen beschrieben sind: a) Todd, D. J., „Walking Machines – An Introduction to Legged Robots", Kogan Page Ltd., London U.K., 1985, Seiten 91–150; b) Song, Shin-Min, et al., „Machines That Walk", The MIT Press Cambridge, MA 1989, Seiten 23–164; c) Chen, Chun-Hung et al., „Motion Planning of Walking Robots in Environments with Uncertainty", Journal of Robotic Systems, John Wiley & Sons, Inc., Band 16, Nr. 10, Seiten 527–545, 1999. Die Erfindung wird natürlich durch diese Techniken nicht beschränkt.
Wenn die UMD 10 in der allgemeinen Richtung 28 geht, werden eine Vielzahl von Sensoren aktiviert, um ihren geographischen Ort, die geometrischen Merkmale der Umgebung, ihre Position relativ zu anderen Objekten und irgendwelchen Hindernissen auf ihrem Weg zu bestimmen. Die Vielzahl der Sensoren 17, die ein 360 Grad Sichtfeld umfassen, erfüllen diese Anforderungen. Diese Anforderungen werden auch von elektrooptischen Sensoren, die im Nutzlastgehäuse 25 untergebracht sind, unterstützt, die nach vorne durch das optische Fenster 26 gerichtet sind, das sich um 360 Grad um seine Hauptachse drehen kann.
Einige der Messvorrichtungen und Techniken, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sind beschrieben in: a) Borenstein, J. et. al., „Mobile Robot Positioning – Sensors and Techniques", The Journal of Robotic Systems, Hand 14, Nr. 4, 1997, Seiten 231–249; b) Borenstein, J., et. al., „Navigating Mobile Robots Sensors and Techniques", A. K. Peters Ltd., Wellesley, MA., 1995; c) Adams, Martin David, „Sensor Modeling, Design and Data Processing for Autonomous Navigation", World Scientific Publishers, Singapur, 1999, Seiten 153–208. Die Erfindung ist natürlich nicht durch diese Techniken beschränkt.
Es ist bekannt, computergesteuerte visuelle Techniken für die Navigation und für die Erkennung und Vermeidung von Hindernissen zu verwenden. Einige der visuellen Vorrichtungen und Techniken für diesen Zweck umfassen die vorliegende Ausführungsform und sind beschrieben in: a) Movarec, Hans P., „Robot Rover Visual Navigation", UMI Research Press, Ann Arbor, Michigan, 1981, Seiten 49–147; b) Robert, Luc et. al., „Applications of Non-Metric Vision to Some Visually Guided Robotic Tasks", in Aloimonos, Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 89–134; c) Wenig, J. J. et. al., „Visual Navigation Using Fast Content-Based Retrieval" in Aloimonos Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 178–217; d) Dean, Thomas, et. al., „Planning and Navigation in Stochastic Environments", in Aloimonos, Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 251–274. Die Erfindung ist natürlich durch diese Techniken nicht beschränkt.
Wegplanungstechniken, die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, basieren beispielsweise auf Techniken, die in den folgenden Publikationen beschrieben sind a) A system for obstacle avoidance and path planning, beschrieben im US-Patent Nr. 5,502,638 von Takenaka, b) „Motion Planning of Walking Robots in Environments with Uncertainty", Chen et. al., Journal of Robotic Systems, John Wiley & Sons, Inc., Band 16, Nr. 10, Seiten 527–545, 1999.
Das Problem der Innenraumnavigation fällt in zwei Kategoriennämlich das Navigieren mit einer A-priori-Karte oder Datenbank, und das Navigieren ohne diese Karte oder Datenbank. Wenn eine A-priori-Karte verfügbar ist, verwendet die Navigationsfunktion A-priori-Daten über den Plan des Gebäudes durch Verwenden passender LFMs – local feature maps (Lokalmerkmalkarten) (siehe 8(a) und 8(b)). Wenn eine A-priori-Karte nicht verfügbar ist, oder wenn das zu besuchende Objekt 54 beschädigt wurde, so dass die A-priori-Karte nicht länger eine wahre Darstellung des tatsächlichen Objekts ist, wird ein anderes Navigationsverfahren ausgeführt, die sogenannte „Navigation in einem Labyrinth". Ein Verfahren, das „Kartenerstellung" genannt wird, ist dann Teil des Navigationsverfahrens.
Um die Erfordernisse nach einer sehr kompakten und leichten UMD zu erfüllen, werden in der vorliegenden Ausführungsform leichtgewichtige Miniatursensoren verwendet. Beispielsweise wiegt eine CCD-Kamera mit einer Auflösung von 256 × 256 Pixeln nur 5 Gramm. (Modell SG-2000-CMOS, kommerziell erhältlich von The Security Group). Es sind auch akustische Sensoren, die nur jeweils 5 Gramm wiegen, oder auf Infrarot-LEDs basierende Entfernungsmesser, die jeweils nur 5 Gramm wiegen, verwendbar.
Szenarium: Betrachtet man nun 4, so ist dort ein typisches, wenn auch nicht ausschließliches Szenarium einer UMD, die eine Datensammlung- und eine Situationsüberwachungsmission in einem Katastrophengebiet durchführt, dargestellt.
Eine Bedienperson 40 wird mit dem Betreiben der UMD 10 und deren Überwachung von einem sicheren Ort, vorzugsweise in der Nähe des Katastrophengebiets, beauftragt. Wenn die Bedienperson an der Station ankommt, von der die UMD 10 auf ihrer Späh-Mission zu starten und nachfolgend ihr Betrieb zu verwalten ist, muss sie die folgende Serien von Aktivitäten vor der Mission ausführen: a) die UMD 10 aus ihrer Schutzverpackung auspacken; b) die UMD 10 auf einer sauberen Oberfläche für ein sicheres Starten und Landen platzieren; c) eine Taste auf dem Tastenfeld der tragbaren Befehls- und Steuereinheit drücken, um einen AN-Befehl (siehe AnBefehl 99 in 7) zu senden, um die UMD 10 „aufzuwecken" und ihren Zustand vom Nicht-Aktiven-Systemzustand 89 in den Systemvorbereitungszustand 90 zu ändern. Nach dem Eintritt in den Zustand Systemvorbereitung 90 wird ein Selbsttest („BIT") automatisch initiiert; d) Verwenden der tragbaren Befehls- und Steuereinheit 41, um eine Mission zu erstellen; e) eine Taste auf dem Tastenfeld der tragbaren Befehls- und Steuereinheit drücken, um die Missionsplandatei über eine drahtlose Datenverbindung 42 in die UMD 10 herab zu laden.
Wenn diese Serie von Aktivitäten vor der Mission beendet ist, so ist die UMD 10 nun bereit für ihre Mission. Es ist wichtig, dass das Verfahren vor der Mission beschleunigt wird, um eine schnelle Reaktion auf Katastrophensituationen zu ermöglichen. Somit muss die Missionserstellungsaktivität, die die zeitaufwendigste Aktivität aller Aktivitäten vor der Mission darstellt, so gestaltet werden, dass sie so schnell und einfach wie möglich ist. Die Missionserstellungsanzeige ist in 5 gezeigt.
Wie vorher erwähnt wurde, verwendet die Bedienperson 40 eine tragbare Befehls- und Steuereinheit 41, um einen Missionsplan zu erstellen und den Betrieb der UMD 10 zu steuern, während sie sich auf ihrer Mission befindet. Eine drahtlose Kommunikationseinheit 49 ist mit der tragbaren Befehls- und Steuereinheit 42 verbunden, um somit eine Zweiwege-Datenverbindung mit der UMD 10 und mit unabhängigen unbeaufsichtigten Sensormitteln 46, wenn diese durch die UMD 10 aufgestellt werden, zu errichten.
Nachdem ein Missionsplan ausgearbeitet und erzeugt wurde, wird er über die drahtlose Datenverbindung 42 zur UMD 10 übertragen und herab geladen. Während des Betriebs kann die Bedienperson 40 über die Datenverbindung 42 Befehle an die UMD 10 senden und Daten von ihr erhalten.
Wie in 4 gezeigt ist, bewegt sich die UMD 10 entlang des geplanten Weges in der allgemeinen Richtung 44. In einer zur Situation passenden Weise bewegt sich die UMD 10 in verschiedenen alternativen Modi, wie das in Verbindung mit 2 beschrieben ist. Im tatsächlichen Szenarium, das in 4 dargestellt ist, bewegt sich die UMD 10 entweder außerhalb oder innerhalb eines brennenden Gebäudes 45. Wenn die UMD 10 geht oder sich anders innerhalb dieses Gebäudes bewegt, so navigiert sie auf ihrem Weg entweder mit oder ohne eine A-priori-Karte. Wenn eine A-priori-Karte verfügbar ist und sie auf die Situation anwendbar ist, so verwendet die Navigationsfunktion A-Priori-Daten über die Gestalt des Gebäudes, durch das Verwenden der passenden LFMs, Lokalmerkmalkarten (siehe 8(a) und 8(b)). Wenn eine A-priori-Karte nicht verfügbar ist, oder wenn das Gebäude 45, das erforscht werden soll, so beschädigt wurde, dass eine A-priori-Karte nicht länger anwendbar ist, wird ein anderes Navigationsverfahren ausgeführt, und ein Verfahren, das „Kartenerstellung" genannt wird, wird ein Teil des Navigationsverfahrens.
Wenn es den Umständen entspricht, kann die UMD 10 vertikal landen, für eine Weile auf einer stützenden Oberfläche stehen, vertikal starten und dann über dem Ort schweben. Diese Sequenz von Bewegungen kann wiederholt werden, wenn dies notwendig ist. Wenn die UMD 10 Daten sammelt und die Situation überwacht, sind ihre Sensoren aktiv. Der elektrooptische Sensor, der im Nutzlastgehäuse 25 untergebracht ist, weist ein Sichtfeld 48 auf, das nach vorn in der Bewegungsrichtung oder auf ein interessierendes Gebiet gerichtet ist. Andere Sensoren, die die Nutzlast bilden, deren Aktivierung von der spezifischen Situation abhängt, können ein Mikrofon 72, einen Rauchdetektor 73 und einen Gasdetektor 74 einschließen. Es kann auch wünschenswert sein, einen Seismographen einzuschließen, um Erdbeben zu messen.
Die UMD 10 kann, wenn sie vertikal landet, unter Verwendung einer Vorrichtungsausgabeeinrichtung 80 ein unabhängiges, unbeaufsichtigtes Sensormittel 46 für das weitere Sammeln von Daten im Katastrophengebiet aufstellen. Das Sensormittel 46, das auf verschiedenen tragenden Oberflächen, wie auf dem Boden, angeordnet werden kann, überträgt die Daten, die es sammelt, an die Kommunikationseinheit 49, die an der tragbaren Befehls- und Steuereinheit 41 befestigt ist, über eine drahtlose Datenverbindung 47.
In 5 ist eine Aufsicht auf eine Anzeige 50 der tragbaren Befehls- und Steuereinheit 41 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Anzeige 50 umfasst ein Videoanzeigefenster 51 als auch ein alphanumerisches Anzeigefenster 53. Wenn sich die UMD 10 am Katastrophenort befindet, wird eine Szene 52, die durch den elektro-optischen Videosensor (siehe Videokamera 70 in 6) gemessen wird und von der UMD 10 über eine drahtlose Funkdatenverbindung 42 an die Kommunikationseinheit 49 übertragen wird, auf dem Videoanzeigefenster 51 dargestellt. Der größte Teil der Anzeige wird dann für die graphische symbolische Darstellung der Hauptelemente des Missionsplans verwendet. Beispielsweise müssen zwei Objekte 54 am Katastrophenort überwacht werden.
Die Bedienperson 40 erstellt einen Missionsplan, der bei dieser Ausführungsform aus den folgenden Elementen besteht: a) ein Ort ST 55, wo die Mission beginnt und endet; b) eine Bewegungsroute, die durch eine geordnete Serie von Wegepunkten WP 56 dargestellt wird, die durch Routensegmente 58 verbunden sind. In dem in 5 gezeigten Beispiel gibt es sieben Wegpunkte WP 56, die mit WP1 bis WP7 in der Reihenfolge bezeichnet sind, in der sie planmäßig durchlaufen werden sollen. Jeder WP 56 stellt einen spezifischen Ort dar; c) eine Serie geordneter Vorrichtungsaufstellungsorte DD 57. In 5 gibt es zwei Punkte DD 57, DD1 und DD2; d) ein Rückkehrsegment 59, das den letzten Wegpunkt WP7 mit dem Endpunkt 55 verbindet; e) ein Innenraumbewegungssegment innerhalb eines zu überwachenden Objekts, wobei dieses Segment zwischen WP5 und WP6 liegt.
In einer Situation, bei der Lokalmerkmalskarten, LFMs (siehe 8b) des zu überwachenden Objekts 54a priori verfügbar sind, werden diese mit dem Missionsplan verbunden und vom Speicher der tragbaren Befehls- und Steuereinheit 10 zusammen mit dem Missionsplan zur UMD 10 herab geladen. Für solche Situationen weist die tragbare Befehls- und Steuereinheit 41 eine Datenbank der LFMs (siehe 8(a) und 8(b)) der Objekte im Katastrophengebiet auf. Diese Datenbank wird in die tragbare Befehls- und Steuereinheit 41 herabgeladen und gespeichert, bevor man zum Katastrophenort geht.
Wie in 6 gezeigt ist, ist die funktionelle Architektur der elektronischen Einheiten vom Typ einer „Busnetzwerktopologie". Die Computereinheit 60 ist mit allen zugehörigen Elementen über ein lokales Netzwerk LAN 61 verbunden. Die Computereinheit 60 ist mit Verarbeitungselementen, Speicherelementen, Ein-/Ausgabe-Elementen und anderen Elementen, die wünschenswert sind, um die geforderten Berechnungen auszuführen, wie die a) Flugsteuerung; b) Navigation; c) Sensordatenverarbeitung; d) Mehrfußsteuerung; e) Wegeplanung und Hindernisvermeidung, versehen.
In der UMD 10 wird ein Satz von drei piezoelektrischen Kreiseln 62 verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit um drei rechtwinklige Achsen zu messen, die zusammen ein rechtshändiges orthonormales Koordinatensystem errichten. Der GPS-Empfänger 63 liefert eine Orts- und Geschwindigkeitsnavigationsinformation, während ein Magnetometer 64 Richtungsdaten in Bezug auf das geomagnetische Feld liefert, das wiederum in Bezug zu dem geographischen Koordinatensystem steht und somit eine genäherte Azimutinformation liefert. Ein Satz von piezoelektrischen Neigungssensoren 65 dient zur Bestimmung der Lage der UMD 10 in Bezug auf den Schwerkraftvektor.
Es sind auch auf Infrarotlicht (IR-Licht) ausstrahlenden Lichtdioden (LED) basierende Entfernungsmesser 66 vorgesehen, um Kurzbereichsentfernungsmessungen (wirksam bis zu ungefähr 10 Metern) zu umgebenden Objekten durchzuführen. Diese Messungen liefern entscheidende Daten für die Positionierung, die Navigation und die Hindernisvermeidung, wenn sich die UMD 10 in ihren Bodenbeweglichkeitsmodus bewegt. In der vorliegenden Ausführungsform wiegt jeder Entfernungsmesser 66 nur 5 Gramm. Eine Vielzahl von akustischen Entfernungsmessern 67 wird auch für das Messen der Distanz zu umgebenden Objekten verwendet. Das Hinzufügen der akustischen Entfernungsmesser 67 gewährleistet eine umfassendere Abdeckung, als wenn nur IR-LED-Entfernungsmesser 66 verwendet werden.
Die drahtlose Zweiwege-Datenverbindung des Späh-Roboters ist vorzugsweise eine Funkfrequenz-RF-Datenverbindung. Sie umfasst eine RF-Aufwärtsverbindung 68 für das Übertagen von Daten an die UMD 10, und eine RF-Abwärtsverbindung 69 für das Übertragen von Daten, die Videodaten einschließen, von der UMD. Ein kommerziell erhältlicher Empfänger für diesen Zweck wiegt nur 12 Gramm bei einem Bereich von über 2 Kilometern. Ein kommerziell erhältlicher Videosender wiegt nur 14 Gramm für einen Bereich von über 4 Kilometern, vorhausgesetzt, dass eine Sichtlinie zwischen dem Sender und dem Empfänger existiert.
Eine Videokamera 70, vorzugsweise vom CCD-Typ, dient dazu, folgendes zu liefern: a) eine Nahaufnahme des Katastrophenortes, die der entfernten Bedienperson 40 angezeigt werden kann; b) einen visuellen Sensor für das visuelle Positionieren, die Navigation und das Vermeiden von Hindernissen. Ähnliche Anordnungen sind beschrieben in: a) Movarec, Hans P., „Robot Rover Visual Navigation", UMI Research Press, Ann Arbor, Michigan, 1981, Seiten 49–147; b) Robert, Luc, et. al., „Applications of Non-Metric Vision to Some Visually Guided Robotic Tasks", in Aloimonos, Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 89–134; c) Wenig, J. J., et. al., „Visual Navigation Using Fast Content-Based Retrieval", in Aloimonos, Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 178–217; d) Dean, Thomas, et. al., „Planning and Navigation in Stochastic Environments", in Aloimonos, Yiannis ed., „Visual Navigation – From Biological Systems to Unmanned Ground Vehicles", Lawrence Erlbaum Associates Publishers, Mahwah, New Jersey, 1997, Seiten 251–247. Die Erfindung ist natürlich durch diese Anordnungen nicht beschränkt.
In der Praxis können der UMD Scheinwerfer hinzugefügt werden, um, insbesondere in Innenräumen, akzeptable Lichtbedingungen für die Kamera zu liefern. Eine nicht gekühlte Infrarotkamera 71 kann bei Situationen mit schlechtem Licht als auch als Detektor für heiße Stellen verwendet werden.
Für Situationsüberwachungsmissionen, wie für das Finden von vermissten Menschen in zerstörten Gebäuden, können Mikrofone 72 verwendet werden. Akustische Signale, die von den Mikrofonen 72 empfangen werden, werden an die Bedienperson 40 an der entfernten Station über die RF-Abwärtsverbindung 69 weiter gegeben. Ein Rauchdetektor 73 liefert Mittel, um Quellen von Rauch und Rauch erzeugende Situationen zu detektieren. Ein Gasdetektor 74 dient dazu, eine Gaskontamination, insbesondere in Gebieten mit einer hohen und gefährlichen Gaskonzentration zu detektieren.
Die Beine der UMD 10 können mit Beinlastsensoren 75 für das Steuern des mehrbeinigen Gehens ausgerüstet sein. Als eine Alternative kann das Messen des Stroms an den Beinservomotoren die notwendige Steuerinformation liefern.
Eine Rotorsteuerfunktion 76 liefert die Befehlssignale, die notwendig sind, um die Rotorbewegung zu steuern. Eine Luftleitblechservobetätigungsvorrichtungsfunktion 77 liefert die Befehlssignale, um die Luftleitbleche 15 zu steuern. Eine Beinservobetätigungsvorrichtungsfunktion 78 liefert die Befehlssignale für die Vielzahl der Beinbetätigungsvorrichtungen. Eine Sensornutzlastservobetätigungsvorrichtung 79 liefert die Befehlssignale, um den Nutzlastservomotor zu steuern. Eine Vorrichtungsausgabevorrichtung 80 wird verwendet, um das Befehlssignal für die Vorrichtungsausgabebetätigungsvorrichtung zu erzeugen, wenn automatische Sensorvorrichtungen 46 aufgestellt werden sollen. Eine Leistungsversorgung 81 liefert die gesamte elektrische Leistung, die von allen Einheiten an Bord verbraucht wird. Für diesen Zweck kann eine Reihe von Lithiumbatterien verwendet werden.
7 ist eine graphische Diagrammzustandsnotation der hauptsächlichen Betriebs- und Mobilitätsmodi der UMD 10 und den Übergängen zwischen diesen Modi gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Notation jedes Zustands ist jedem Mobilitätsmodus als auch den Start- und Standsituationen zugewiesen. Die folgenden Zustände bilden bei dieser Ausführungsform den Zustandsgraph- a) System nicht aktiv 89; b) Systemvorbereitung 90; c) Stehen 91; VTOL-vertikales Starten/Landen 92; e) Schweben 93; f) Übergang 94; g) Marschflug 95; h) Gehen 96. In 7 sind die Zustände 92 bis 95 Luftmobilitätszustände, und der Zustand 96 ist ein Bodenmobilitätszustand.
Vor der Mission und nach dem Beenden der Mission ist die Leistung vorzugsweise ausgeschaltet, und die UMD 10 befindet sich in ihrem nicht aktiven Systemzustand. Nach dem Empfangen eines Anschaltbefehls AnBefehl (OnCmd) 99 von der Bedienperson 40 über die Datenverbindung, wird der Zustand der UMD 10 in den Systemvorbereitungszustand 90 überführt. Beim Eintreten in den Systemvorbereitungszustand 90 wird ein Selbsttestverfahren („BIT") automatisch initiiert. Wenn das BIT-Ergebnis OK ist, und wenn der Missionsplan korrekt herab geladen wurde, ist der Zustand SystemBereit (SystemReady) 100 logisch WAHR, und der Zustand der UMD 10 wird in den Stehzustand 91 überführt. Wenn jedoch das BIT-Verfahren fehlschlägt, so ist der BITFehlzustand 112 WAHR. Oder wenn die Bedienperson 40 einen Missionsabbruchbefehl AbbruchBefehl (AbortCmd) 112 sendet, wird der Zustand der UMD 10 in den nicht aktiven Systemzustand 89 überführt, und die Leistung der UMD 10 wird abgeschaltet.
In Abhängigkeit von der spezifischen Phase der Mission können, wenn man sich im Stehzustand 91 befindet, falls erforderlich verschiedene UMD-Funktionen aktiv sein. Beispielsweise kann sich die UMD 10, wenn sie sich im Stehzustand 91 befindet, in einer Wartesituation, einer Datensammelsituation oder in einer Absetzsituation für Sensormittel 46 oder in einer Kombination dieser Situationen befinden. Nach dem Empfangen eines StartSignals (TakeOffCmd) 101, wird die UMD 10 vom Stehzustand 91 in den VTOL-Zustand 92, um ein Abheben zu starten, überführt. Wenn keine Flugbedingungen herrschen, befindet sich die UMD entweder in einem Warte- oder Stehzustand 91 oder wird in einen Gehzustand 96 überführt.
Während sich die UMD 10 im VTOL-Zustand 92 befindet, wird sie in den Schwebezustand 93 überführt, wenn ihre Höhe sich der gewünschten Schwebehöhe nähert, wobei der Zustand Schwebehöhe (HoveringAltitude) 102 dann logisch WAHR ist. Die UMD 10 bleibt schweben, bis eine der zwei folgenden Bedingungen erfüllt ist: a) Bedingungen für einen Marschflug existieren, die Bedingung MarschbedingungenOK (DashConditionsOK) ist WAHR, und die UMD 10 wird dann in den zwischenliegenden Übergangszustand 94 überführt; b) ein Landebefehl Landebefehl (LandindCmd) 107 wurde entweder durch die entfernte Bedienperson 40 oder intern durch ihre Missionssteuerung ausgegeben, und die UMD 10 wird in den VTOL-Zustand 92 überführt und beginnt zu landen. Wenn die UMD 10 auf eine stützende Oberfläche aufsetzt, so ist die Bedingung Aufsetzen (TouchDown) 108 WAHR, und die UMD 10 wird in den Stehzustand 91 überführt.
Beim Übergang vom Schwebezustand 93 in den Übergangszustand 94 führt dann die UMD 10 ein Übergangsmanöver durch, bei welchem der Zustand Übergang-zu-Marsch-Beendet (TransToDashCompleted) 104 WAHR ist, und die UMD 10 tritt dann in den Marschflugzustand 95 ein. So lange wie die Bedingungen für das Fliegen im Marschflugmodus existieren, bleibt die UMD 10 in diesem Zustand. Wenn diese Bedingungen aufhören zu existieren, so ist die Bedingung MarschBedingungenAus (DashConditionsOut) 105 WAHR, und die UMD 10 wird in den temporären Übergangszustand 94 überführt. Nach dem Beenden des Übergangsmanövers ist die Bedingung Übergang-zum-Schweben-Vollendet (TransToHoverCompleted) 106 WAHR, und die UMD 10 wird in den Schwebezustand 93 überführt.
Der Übergang von einem Luftmobilitätsmodus zu einem Bodenmobilitätsmodus und umgekehrt wird immer ausgeführt, indem man zuerst in den Stehzustand 91 geht und danach zum gewünschten Mobilitätsmodus, entweder Boden oder Luft.
Während sich die UMD 10 im Stehzustand 91 befindet, wird sie, wenn sie einen Gehbefehl (WalkingCmd) 109 empfängt, in den Gehzustand 96 überführt. Der Gehbefehl 109 wird entweder durch die entfernte Bedienperson 40 oder intern durch die UMD-Missionssteuerung ausgegeben. Wenn sich die UMD 10 im Gehzustand 96 befindet, setzt sie das Gehen fort, bis sie zum gewünschten Ziel kommt, wo die AmOrt-Bedingung 110 WAHR ist oder wo der Stoppbefehl StopBefehl (StopCmd) 110 entweder durch die entfernte Bedienperson 40 oder intern durch die UMD-Missionssteuerung ausgegeben wird. Eine Situation, die typisch für das interne Ausgeben eines StopBefehls 110 ist, ist die, wenn die UMD 10 beim Gehen auf ein großes Hindernis trifft. Wenn sich die UMD 10 im Stehzustand 91 befindet, wird ein Ausschaltebefehl AusBefehl 111 den Zustand der UMD 10 vom Stehzustand 91 in den nicht aktiven Systemzustand 89 überführen, und die Leistung der UMD 10 wird abgeschaltet. Der AusBefehl 111 wird entweder intern durch die Missionssteuerung der UMD 10 oder durch die entfernte Bedienperson 40 ausgegeben. Nach dem Beenden der Mission wird der AusBefehl 111 gewöhnlicherweise intern ausgegeben.
8(a) zeigt die Gestalt eines Abschnitts eines Gebäudeinneren, während 8(b) die zugehörige auf einem Graphen basierende Datenstrukturdarstellung ist (gemäß einer möglichen Variante), die Lokalmerkmalskarte – LFM – genannt wird. In diesem Beispiel ist 8(a) ein Plan eines Gebäudeabschnitts, der besteht aus a) zwei Fluren C1-121 und C2-122; b) einer Ecke CR12 120, die die zwei Flure verbindet; c) vier Räumen R1 123, R2 124, R3 125 und R4 126, in die man von den Fluren durch Öffnungen gelangen kann; d) die folgenden Öffnungen O1 127 zwischen dem Flur C1 121 und dem Raum R1 123; O2 128 zwischen dem Flur C1 121 und dem Raum R2 124; O31 und O32, beide zwischen dem Flur C2 122 und dem Raum R3 125; O4 131 zwischen dem Flur C2 122 und dem Raum R4 126.
8(b) ist ein Beispiel der zugehörigen Lokalmerkmalskarte (LFM), die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, um die wesentlichen Merkmale des Plans des Gebäudeabschnitts darzustellen. Die Datenstruktur, die verwendet wird, um die LFM darzustellen, ist ein ungerichteter Graph (siehe Even, S., „Graph Algorithms", Computer Science Press, Maryland, USA, 1979 für mehr Details über ungerichtete Graphen).
Betrachtet man nun 8(b), so ist der Wurzelknoten des Graphen die Ecke CR12 140. Er weist zwei zugehörige Tochterknoten, Knoten 141 des Flurs C1 und Knoten 142 des Flurs C2 auf. Die verbindenden Bögen 147 und 148 symbolisieren die Verbindung zwischen der Ecke CR12 und ihren verbundenen Fluren C1 und C2. Der Knoten 141 des Flurs C1 weist zwei zugehörige Tochterknoten, nämlich Knoten 143 des Raums R1 und Knoten 144 des Raums R2 auf. Die verbindenden Bögen 149 und 150 symbolisieren die zugehörigen Öffnungen O1 149 beziehungsweise O2 150. In ähnlicher Weise weist der Knoten 142 des Flurs C2 zwei zugehörige Tochterknoten, nämlich den Knoten 145 des Raums R3 und den Knoten 146 des Raums R4 auf. Die verbindenden Bögen 151, 152 und 153 symbolisieren die zugehörigen Öffnungen O31 151, O32 152 beziehungsweise O4 153. Immer wenn der Plan der Gebäude, die durch die UMD 10 zu überwachen sind, a-priori bekannt ist, können die zugehörigen LFMs im Voraus hergestellt werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass obwohl eine LFM möglicherweise a-priori hergestellt wurde, es während einer großen Katastrophe, wie einem Erdbeben, sein kann, dass so viele Änderungen auftreten, dass die ursprüngliche LFM nicht länger die tatsächliche Gestalt darstellt.
Während hier eine bevorzugte Ausführungsform einer UMD, die als ein Späh-Roboter funktioniert, dargestellt wurde, sollte verständlich sein, dass hier viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Unbemannte mobile Vorrichtung, die ferngesteuert ist, um als ein Späh-Roboter ein interessierendes Gelände zu betreten und einen Auftrag zu erfüllen, worin die Vorrichtung einen aerodynamischen Flugaufbau (10) umfasst, der einen ringförmigen Kanal (11) einschließt, der einen darin angebrachten motorgetriebenen Propeller (12) aufweist, der Luft dazu bringt, durch den Kanal (11) zu strömen um die Anordnung vorwärts zu treiben, worin die Anordnung mit einziehbaren Beinen ausgestattet ist, wobei jedes Bein mindestens zwei Glieder (20, 21) einschließt, die in der Lage sind, sich in Bezug zueinander in einer relativen gesteuerten Drehbewegung mit einem Freiheitsgrad zu bewegen, wobei die Beine auf der Außenseite des Aufbaus (11) angebracht sind und als Landegestell dienen, wenn die Anordnung auf dem Gelände landet und dann als ein Bodenfortbewegungsmittel wirken; und ferngesteuerte Mittel, die Prozessormittel (60) einschließen, welche mit dem Aufbau (10) verknüpft sind, die ihn in mindestens einem der folgenden Modi betriebsfähig machen: einen Luftbeweglichkeits-Modus, in dem der Aufbau in der Lage ist, zu dem Gelände zu fliegen und darüber zu schweben, und auch in der Lage ist, vertikal abzuheben und auf dem Gelände zu landen, wobei die Beine dann ausgefahren werden, um als Landegestell zu dienen, und einen Bodenbeweglichkeits-Modus, in dem die ausgefahrenen Beine dann als ein Lauf-Mechanismus wirken, um zu bewirken, dass sich der Aufbau durch das Gelände bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das interessierende Gebiet ein Katastrophengebiet ist und wobei der Auftrag einschließt, über eine drahtlose wechselseitige Funkverbindung mit einer Rettungsmission Informationen über die auf dem Gelände vorherrschenden Bedingungen zu kommunizieren, wodurch ermöglicht wird, dann über Rettungsmaßnahmen zu entscheiden, die für diese Bedingungen geeignet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laufmechanismus bewirkt, dass der Aufbau das Gelände durchquert und durch zerstörte Gebäude auf dem Gelände und andere Strukturen auf dem Terrain des Geländes läuft.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Anordnung mit einstellbaren Luftleitblechen ausgestattet ist, die gesteuert werden, um den Flug der Anordnung einzurichten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Propeller von einem batteriebetriebenen Gleichstrommotor gedreht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Kanal aus einem Material gefertigt ist, das ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes der Beine durch ein unteres Glied, das mit einem oberen Glied schwenkbar verbunden ist, gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedes Bein drei Freiheitsgrade aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufbau mit einer Nutzlast versehen ist, die mindestens einen Bedingungssensor einschließt, um eine vorherrschende Bedingung auf dem Gelände zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bedingungssensor eine Videokamera ist, die das Gelände betrachtet und ein Bild davon an einen entfernt befindlichen Betreiber übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Videokamera in einer transparenten Kapsel in der Mitte des Aufbaus an seinem oberen Ende befestigt ist und 360 Grad um den Aufbau herum abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bedingungssensor ein Rauchmelder ist, der auf Rauch reagiert, der von dem Gelände ausgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bedingungssensor ein akustischer Detektor ist, der Geräusche aufnimmt, die von dem Gelände ausgehen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Bedingungssensor ein Gasdetektor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Aufbau mit Mitteln ausgestattet ist, die einen Positionsdetektor zum Erfassen der Position des Aufbaus relativ zu dem Gelände einschließen, während er das Gelände überquert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Mittel das Vorhandensein eines Hindernisses auf dem Weg der Anordnung erfassen und agieren, um das Hindernis zu umgehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung Mittel einschließt, um Informationen in Bezug auf das Gelände zu sammeln und einen Funksender, um von dem Späh-Roboter gesammelte Informationen an einen entfernt befindlichen Betreiber zu übermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Anordnung mit einem Funkempfänger versehen ist, um Befehlssignale von einem entfernt befindlichen Betreiber zu empfangen, um den Betrieb der Vorrichtung zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung mit einer Nutzlast versehen ist, die eine Feuerlöschausrüstung einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung mit einer Nutzlast versehen ist, die Sensoren für eine georeferenzierte Navigation und Flugsteuerungsfunktion einschließt.