FR2720838A1

FR2720838A1 - Procédé perfectionné de localisation de balises pour un appareil autonome.

Info

Publication number: FR2720838A1
Application number: FR9506587A
Authority: FR
Inventors: Leif Edlund; Rolf Berlin; Charles R Davidsson
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1995-12-08
Anticipated expiration: 2015-06-02
Also published as: SE9401943L; FR2720838B1; GB2290143B; SE514791C2; DE19520532C2; DE19520532A1; GB9510884D0; SE9401943D0; GB2290143A; US5682313A

Abstract

La présente invention est relative à un procédé perfectionné de localisation de balises pour un appareil autonome. Ce procédé se caractérise en ce que: l'émetteur (20) de l'appareil autonome (10) est placé à une position différente de celle de l'axe de rotation (25) de l'appareil (10); lorsque l'appareil (10) quitte une position de garage comportant un premier répondeur de balise connu, l'appareil (10) pivote au moins d'un tour autour de son axe de rotation en même temps qu'il mesure, par son système d'orientation, les distances à tous les répondeurs disponibles, ledit système de microprocesseur enregistrant également, pour chaque signal de détection émis, l'angle de pivotement de l'appareil par rapport à une position de début du pivotement.

Description

La présente invention concerne un dispositif au-

tonome, par exemple sous la forme d'un aspirateur auto-

nome et à orientation automatique, qui est orienté par un système de répondeurs ou de balises, et l'invention concerne plus particulièrement un procédé pour déterminer plus rapidement une direction par rapport aux différents répondeurs ou balises pendant la construction d'une base

de données d'orientation au moyen de laquelle le dispo-

sitif peut ensuite se déplacer librement et exécuter une

fonction.

Depuis longtemps, on désire réaliser un appareil

autonome, par exemple pour un traitement de sol, en parti-

culier un aspirateur, qui soit commandé par un système de détection à balayage d'horizon, analogue par exemple à un radar de navire. On désire donc que l'appareil puisse s'orienter seul dans un local, de sorte qu'il puisse par exemple exécuter une fonction de nettoyage conforme à un modèle prédéterminé ou à une stratégie prédéterminée et qu'il puisse en même temps éviter les collisions avec différents obstacles qui peuvent se trouver dans le local,

en plus d'éviter les collisions avec les murs du local.

Le brevet SE-313 409, de 1969, décrit un disposi-

tif pour un appareil autonome de traitement de sol qui

comporte deux roues entraînées par un moteur électrique.

Ce dispositif est caractérisé en ce qu'une des roues est automatiquement débrayable contre l'action d'un ressort, lorsque l'appareil rencontre un obstacle, de sorte que la

paire de roues peut pivoter autour d'un axe vertical, la direc-

tion de déplacement de l'appareil peut être changée et en outre le sens de rotation des roues peut être commuté, l'appareil pouvant ainsi en principe se déplacer et éviter

l'obstacle. De plus, le dispositif est guidé par une uni-

té de commande qui dirige d'une manière générale le

déplacement du dispositif sur la surface à nettoyer.

Le brevet SE-364 574 décrit également un disposi-

tif correspondant qui comporte, sur son côté avant, un dispositif de détection d'obstacle ayant des moyens de

détection qui émettent des signaux électriques et par les-

quels la largeur des obstacles sur le trajet du disposi-

tif peut être déterminée. Les moyens de détection ont un fonctionnement entièrement mécanique et ils sont de

préférence constitués par des micro-contacts.

GB-1 403 860 décrit un procédé et un appareil pour un traitement automatique, par exemple un nettoyage d'une zone délimitée, d'une manière telle que l'appareil se déplace dans toute la zone et change automatiquement

de direction aux limites de la zone. Toutefois, l'appa-

reil ne peut pas détecter à l'avance d'autres obstacles présents dans la zone délimitée et il suit en principe un programme prédéterminé pour couvrir toute la surface

de la zone délimitée.

Un autre appareil semblable est décrit dans

le brevet CH-619 799 de 1973. Cet appareil, qui est en-

trainé par deux roues,comporte un dispositif de mesure

électro-optique qui affiche plusieurs entrées et sor-

ties de faisceaux. Le dispositif de mesure sert à mesurer les distances entre l'appareil et des points de mesure

prévus sur les murs qui limitent le local. Les points me-

surés sont entrés dans un processeur de calcul de coordon-

nées qui calcule, établit une corrélation et détermine, respectivement, les coordonnées des points de mesure et

stocke ces valeurs calculées dans une mémoire d'orienta-

tion. Au moyen d'un compteur de parcours connecté aux roues, on calcule en outre le déplacement de l'appareil et celui-ci est guidé sur la base de ces informations de manière à parcourir systématiquement et automatiquement

toute la surface du sol afin de nettoyer cette surface.

Un inconvénient de ces appareils réside dans la difficulté de localiser les obstacles qui peuvent être

présents sur le parcours de l'appareil pendant son dépla-

cement sur le sol puisqu'un système de détection électro-

optique nécessite, du fait de la grande vitesse de propa-

gation, un système de mesure capable de mesurer de très courts laps de temps. Pour cette raison, tout d'abord, un tel système, même avec les récents progrès des circuits électroniques et des ordinateurs, est sicoûteux qu'il ne peut pas être mis à la disposition du public surtout du

point de vue du niveau de prix. Il est également diffici-

le techniquement, avec un tel procédé électro-optique, de

mesurer de courtes distances avec une résolution satisfai-

sante.

Dans un document de 1984 de James L. Crowley, in-

titulé "Position Estimation for Intelligent Mobile Robot", The Laboratory for Household Robotics, Carnegie-Mellon University, on décrit une solution au problème de la conservation d'une estimation de la position du robot

lorsqu'il se déplace dans un environnement connu ou in-

connu. Le document indique en outre un certain nombre d'autres références à différents algorithmes utilisés

pour une modélisation dans ce contexte et qui peuvent ser-

vir à la programmation d'un ordinateur pour le guidage d'un tel robot. Un appareil illustré dans le document

utilise en partie des codeurs prévus sur les roues du ro-

bot pour déterminer son déplacement et en partie un détecteur rotatif mesurant la distance par rapport à des

surfaces extérieures et ayant un faisceau avec un dia-

mètre de départ de 7,5 cm environ et une divergence de

faisceau de 3 degrés environ. Le détecteur tourne à envi-

ron un tour par 5 secondes et il donne la distance à la surface la plus proche,dans une portée de 6 mètres, avec une résolution de 3 centimètres. On peut alors placer l'appareil en un mode d'apprentissage pendant une visite

guidée de l'environnement dans lequel il est supposé de-

voir travailler. A partir du mode d'apprentissage, l'ap-

pareil s'oriente ensuite automatiquement, à partir d'un

point de départ,dans cet environnement maintenant exploré.

Le brevet US N 4 674 048 décrit un système de gui-

dage de robot mobile, qui calcule sa position instantanée

et stocke séquentiellement les données relatives aux po-

sitions obtenues, ces informations étant ensuite utili-

sées pour la poursuite du déplacement du robot. Le ro-

bot calcule alors une configuration de déplacement à l'in-

térieur d'une zone spécifiée, de sorte qu'il peut se dé-

placer dans la zone sans laisser de région non parcourue

et en tenant compte des obstructions possibles qui modi-

fient son parcours. En outre, le robot compense les er-

reurs de position dues au glissement de ses roues d'en-

trainement ou aux erreurs résultant du fonctionnement de

ses moteurs.

On connait également de nombreux autres docu-

ments, comme par exemple les brevets US N 4 114 711 (1978),

4 700 424 (1987), 4 887 415 (1989), qui décrivent égale-

ment différents dispositifs dans des machines autonomes

automatiquement guidées.

Un inconvénient commun à tous ces dispositifs connus est que, du fait de la multiplicité des méthodes combinées de façon différente qui sont nécessaires pour

leur orientation et leur direction, ils sont le plus sou-

vent encombrants et surtout ils sont très compliqués et coûteux à fabriquer. Il existe donc un besoin pour un

procédé qui peut être appliqué dans un système d'un appa-

reil autonome, permettant de fabriquer cet appareil à des coûts modérés, de sorte qu'un produit prêt à l'emploi, par exemple un aspirateur automatique de nettoyage d'un local, peut être fabriqué à un prix total qui le rend

abordable pour le public.

Conformément à la présente invention, on obtient un procédé perfectionné d'orientation pour un appareil autonome, comprenant un système de microprocesseur et un système de détection qui comporte des moyens d'émission et des moyens de réception coopérant avec des balises ou répondeurs actifs, qui contiennent également à la fois

des récepteurs et des émetteurs.

Conformément à un premier aspect du procédé de la présente invention, les moyens d'émission de l'appa- reil, qui transmettent un signal pour la localisation des

répondeurs, sont placés à une position différente de l'a-

xe de rotation vertical de l'appareil autour duquel on

peut faire tourner l'appareil, de sorte que, lorsque l'ap-

pareil quitte une position de garage, il tourne au moins d'un tour autour de son axe de rotation et, en même temps, son système de microprocesseur enregistre les distances

à tous les répondeurs ou balises disponibles dont il ob-

tient une réponse.

Conformément à un deuxième aspect du procédé de la présente invention, le système de microprocesseur de l'appareil enregistre, pour chaque signal de détection émis, son angle de rotation par rapport à une position de début de la rotation de sorte que, dans le traitement des données de mesure, on obtient une distance minimale

à chaque répondeur enregistré lorsque les moyens d'émis-

sion de l'appareil se trouvent juste sur une ligne droite reliant l'axe de rotation de l'appareil et le répondeur

respectif, ce qui permet d'obtenir une détermination gros-

sière immédiate d'une direction vers chaque répondeur pour

la présente position de l'appareil dans un système de co-

ordonnées relatives dont le point de référence est situé

au point de départ de l'appareil, c'est-à-dire à la posi-

tion de garage.

Conformément à un troisième aspect du procédé de

la présente invention, la rotation autour de l'axe de ro-

tation peut être répétée au moins une fois lorsque, par exemple, l'appareil a parcouru une distance prédéterminée

à partir de son point de départ, afin d'obtenir des mesu-

res de direction supplémentaires pour une détermination

grossière des positions des répondeurs.

Conformément à un quatrième aspect du procédé de la présente invention, on utilise en partie une première

onde d'une première fréquence ayant une vitesse de propa-

gation de préférence relativement lente et en partie une autre onde d'une deuxième fréquence ayant une vitesse de propagation de préférence très grande, la première onde étant une onde longitudinale, de préférence dans la plage des ultrasons, tandis que la deuxième onde est une onde

électromagnétique, de préférence un signal de lumière in-

frarouge ou un signal de microondes.

Conformément à un mode préféré de mise en oeu-

vre de la présente invention, le signal sur la première

fréquence de propagation lente est émis de façon omni-

directionnelle par les moyens d'émission de l'appareil autonome. Conformément à un aspect additionnel du procédé de la présente invention, une réponse sur la deuxième fréquence de propagation rapide est retardée,à partir d'un répondeur, d'un certain laps de temps prédéterminé afin

de donner à l'appareil autonome le temps de traiter la ré-

flexion sur la fréquence de la première onde pour détec-

ter la plage approximative de l'appareil autonome, de sor-

te que, au moyen du système de microprocesseur, on crée une base d'orientation pour le déplacement automatique ultérieur de l'appareil autonome, en partie à l'aide des réponses des répondeurs et en partie par le traitement des réflexions de la première fréquence à l'intérieur

d'une fenêtre de temps prédéterminée.

En outre, conformément à la présente invention, chaque répondeur est identifié par le microprocesseur à partir du contenu de sa réponse qui indique l'identité

spécifique du répondeur.

Conformément à encore un autre aspect du procédé

de la présente invention, un répondeur transmet addition-

nellement, après transmission d'une réponse indicative

de la réception d'une onde de la première ou de la deuxiè-

me fréquence, et après un autre intervalle de temps déter-

miné pour chaque répondeur, une deuxième réponse sur la première ou la deuxième fréquence afin de procurer une pos- sibilité supplémentaire de séparation de répondeurs dont

les premières réponses ont par exemple été reçues simulta-

nément. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de

la description qui va suivre.

L'invention sera mieux comprise à l'aide du com-

plément de description ci-après, qui se réfère aux des-

sins annexés dans lesquels:

la figure 1 est une vue de côté d'un mode de réa-

lisation d'un appareil autonome, sous la forme d'un aspira-

teur, conforme à la présente invention;

la figure 2 est une vue en plan du robot aspira-

teur de la figure 1;

la figure 3 est une vue en élévation et en cou-

pe du robot aspirateur de la figure 1;

la figure 4 représente un local équipé d'un cer-

tain nombre de balises ou répondeurs actifs, dans lequel

le robot aspirateur de la figure 1 s'oriente par un dépla-

cement périmétrique initial le long des lignes du local;

la figure 5 illustre la façon dont le robot aspi-

rateur de la figure 1 exécute en principe son action de nettoyage après avoir exploré le local;

la figure 6 est un schémagénéral expliquant l'es-

timation de la position d'un répondeur au moyen d'une fonc-

tion de détection incorporée; la figure 7 illustre l'estimation de la position d'un répondeur en partie par une méthode de supposition et en partie par estimation de chemin géométrique; et

la figure 8 illustre l'orientation vers un répon-

deur pendant un premier parcours autour du local.

Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière

une limitation.

On décrit maintenant de façon générale un mode

illustratif préféré de réalisation de l'invention. La fi-

gure 1 en vue de droite et la figure 2 en vue de dessus

représentent un mode de réalisation illustratif d'un aspi-

rateur autonome 10, qui utilise le procédé de la présente invention. L'aspirateur 10 comprend essentiellement un corps circulaire 11 pourvu de deux roues entraînées 12 et 13. Un tableau de commande 15, monté sur le corps 11, porte des commandes et des signalisations pour l'appareil, conformément à l'état de l'art, ainsi qu'une sortie d'air

venant de l'unité d'aspiration 14 de l'appareil. La figu-

re 3 est une vue en coupe simplifiée de l'aspirateur 10 qui montre que le corps comprend essentiellement trois compartiments, à savoir un compartiment arrière 17 pour la collecte de la poussière,situé au-dessus de l'unité

d'aspiration 14, un compartiment central 18 pour les com-

posants plus lourds tels qu'un accumulateur électrique et des moteurs d'entrainement, et un compartiment avant

19 pour le reste de l'équipement, par exemple un micropro-

cesseur et les cartes de circuit imprimé associées ainsi

que des circuits électroniques pour l'émetteur et le récep-

teur d'orientation et de guidage de l'aspirateur pendant son fonctionnement. En outre, une partie avant du corps

11,dans l'espace 19 (figure 3),constitue un capteur méca-

nique déplaçable dans les directions x et y pour détecter également mécaniquement un obstacle, par exemple lorsque

l'aspirateur 10 cherche à passer sous un canapé ou un ob-

jet analogue de hauteur insuffisante. Sur le dessus de la

partie mobile du corps 11 est placé un émetteur ultrasoni-

que omnidirectionnel 20 qui sert, en association avec un

certain nombre de microphones ultrasoniques, à la détec-

tion des obstacles qui se trouvent dans une zone proche de l'avant de l'aspirateur. Dans le mode de réalisation illustré, l'émetteur d'ultrasons est un cylindre de 15 mm environ de diamètre qui s'étend vers le haut jusqu'à mm environ au-dessus du corps 11. Ce cylindre porte,

sur le dessus, une plaque d'absorption des sons sur laquel-

le est en outre placé un récepteur de rayonnement infra-

rouge. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le corps 11, l'é-

metteur d'ultrasons 20 et le dispositif mécanique 21 cons-

tituent un ensemble intégré permettant également une détec-

tion mécanique.

Les figures 4 et 5 illustrent la façon dont l'as-

pirateur exécute un nettoyage automatique d'un local. Dans

le local illustré,il y a par exemple un canapé 30 et le lo-

cal est dans ce cas équipé de quatre répondeurs 31 à 34 pour l'orientation de l'aspirateur. Dans cet exemple, tous les répondeurs sont situés à l'intérieur de la surface à nettoyer, mais il faut noter qu'un répondeur peut très bien

être placé en dehors de la zone de nettoyage délimitée.

Lorsque l'aspirateur doit effectuer un nettoyage automatique du local, il commence de façon usuelle à effectuer d'abord un tour complet autour du local par guidage mural le long des murs qui limitent le local, en partant du répondeur 31

ou "balise 0". Pendant le guidage mural, le mur est détec-

té par le dispositif à ultrasons, le mur se trouvant cons-

tamment du côté gauche de l'appareil lorsque celui-ci ef-

fectue un tour vers la droite en même temps qu'un nettoyage

par aspiration.En outre, les répondeurs 31 à 34 sont dé-

tectés par un système dans lequel les répondeurs sont ac-

tifs et répondent sur une autre fréquence lorqu'ils ont en-

registré une impulsion ultrasonique émise par l'appareil.

Dans le mode de réalisation illustré, une telle impulsion

est émise toutes les 100 millisecondes,pendant que l'appa-

reil se déplace simultanément. A l'aide des réponses des répondeurs et d'abord du déplacement le long des murs, le microprocesseur construit alors une sorte d'image du local sur laquelle les positions exactes des répondeurs sont de mieux en mieux déterminées au fur et à mesure que l'appa- reil se déplace pendant ce tour d'orientation et exécute en même temps une fonction de nettoyage le long du chemin

parcouru. Pendant ce tour, le canapé 30 de l'exemple illus-

tré est également enregistré par le dispositif ultrasoni-

que et il est placé dans la "carte" du local ainsi engen-

drée. Cette carte, sous la forme d'un réseau prédéfini de

carrés, est progressivement remplie avec des données pen-

dant le nettoyage par aspiration du local. L'émetteur d'ul-

trasons est placé sur la partie du corps 11 d'une manière telle que sa position diffère d'un axe de rotation 25 de

l'appareil. Dès que l'appareil a quitté la position de dé-

part à l'endroit du répondeur 31 (balise 0) sur la figure

4 et commencé son suivi des murs, il effectue une révolu-

tion complète autour de son axe de rotation 25 en même temps qu'il mesure les distances à tous les répondeurs ou

balises disponibles. Par cette méthode, une valeur minima-

le de la distance à chaque répondeur existant est obtenue lorsque l'émetteur 20 se trouve juste sur une ligne droite reliant l'axe de rotation 25 de l'appareil et un répondeur respectif. Par cette méthode, on obtient des déterminations grossières (de l'ordre de + 5 ) des directions vers chaque répondeur, ce qui facilite le calcul final des positions des différents répondeurs.On peut également répéter, à une position ultérieure, la rotation de l'appareil autour

de son axe de rotation pour obtenir à nouveau une estima-

tion des directions vers les différents répondeurs par cette méthode, et surtout pour obtenir les directions vers

des répondeurs précédemment cachés.

Lorsqu'un tour complet du local a été effectué par l'aspirateur, celui- ci est prêt à exécuter de façon autonome le nettoyage automatique de la surface restante du local, comme illustré sur la figure 5. Le microprocesseur calcule alors une configuration de déplacement telle que la surface entière soit couverte par l'appareil,et en même temps avec un petit recouvrement approprié. Le dispositif

utilise maintenant "l'image de carte" et vérifie le par-

cours de l'appareil par des comparaisons avec les posi-

tions des répondeurs et avec la distance parcourue, enre-

gistrée au moyen des roues, en plus des informations four-

nies par le radar à ultrasons. Grâce aux moteurs d'entraine-

ment séparés pour les roues 12 et 13 et à la position dia-

métralement opposée de ces dernières, on peut facilement faire tourner l'appareil autour de son axe de rotation 25, chaque fois que cela est nécessaire, cet axe étant alors

le centre du cercle constituant le contour du corps 11.

Par enregistrement de la rotation des roues pendant le pi-

votement autour de l'axe de rotation de l'appareil, on ob-

tient simultanément des informations relatives à l'angle

de pivotement par rapport à la position de départ du pivo-

tement de l'appareil. Ces informations d'angle sont utili-

sées par un sous-programme du système de microprocesseur

qui recherche une valeur minimale de la variation de distan-

ce par rapport à chaque balise pendant le pivotement. Dans

un mode de réalisation illustratif, les moteurs d'entraine-

ment sont des moteurs pas à pas fournis sous la désigna-

tion de KH56HM2-501 par Japan Servo Co Ltd. Simultanément au déplacement de l'appareil, le

système ultrasonique procède à une détection de zone de pro-

ximité,dans une portée de 0 à 40 cm, pour détecter les ob-

stacles éventuels. Lorsque l'appareil constate la présence d'un obstacle, il contourne d'abord l'obstacle et poursuit

le nettoyage de surface de toutes les surfaces ouvertes.

Le nettoyage est ensuite effectué autour des obstacles, par

* exemple par exécution d'un tour complet autour de l'ob-

stacle,si cela est possible, avant d'aller à l'obstacle sui-

vant. Après achèvement du nettoyage, le robot revient à

la position de départ, pour recharge.

Avec ce système décrit d'une manière générale, on obtient donc un aspirateur ou un "robot de nettoyage de poussière" qui est capable, de lui-même et en partant

d'un point d'un local, d'effectuer un nettoyage automati-

que du local après réception d'un ordre pour ce travail.

Dans le mode de réalisation illustré, la "balise 0" cons-

titue un point de garage pour l'appareil o il est nor-

malement au repos et peut recharger son accumulateur incor-

poré et o il peut revenir pour une charge additionnelle si l'appareil ne peut pas effectuer un nettoyage complet

du local à partir d'une charge précédente de l'accumulateur.

Les répondeurs 31 à 34 sont en outre, dans ce cas, d'un type actif qui comporte sa propre alimentation en énergie au moyen d'une pile ou par branchement sur des prises de courant disponibles, cette dernière solution s'appliquant dans le mode de réalisation décrit pour que le répondeur

de garage 31 obtienne un courant de charge de l'accumula-

teur. Sur les figures 4,5,6 et 8, le répondeur 34 est de façon typique auto-alimenté par une pile, tandis que les répondeurs 32 et 33 sont branchés comme le répondeur de

garage 31 sur des prises de courant disponibles. Les répon-

deurs 32 et 33 ont l'aspect des petits dispositifs à lampe qu'on insère parfois dans les prises de courant pour engendrer une lumière de guidage dans l'obscurité. Ainsi, en principe, en ce qui concerne la hauteur audessus du sol, les répondeurs peuvent être placés librement, le seul

qui doive nécessairement être placé sur un mur et au ni-

veau du sol étant le répondeur de départ et de garage 31.

Toutefois, dans le mode préféré de réalisation,on limite la hauteur d'un répondeur,par exemple à un mètre au-dessus du sol, afin de réduire le rayonnement de l'émetteur d'ultrasons vers le haut et de réduire ainsi le nombre de réflexions indésirables venant du haut et qui contribuent à la génération du bruit de fond. En outre, les tables et les chaises réduisent le rayonnement des ultrasons vers le haut, ce qui a pour conséquence qu'un répondeur pourrait

ne pas "entendre" le robot.

On a décrit ici un aspirateur comme mode de ré- alisation illustratif de l'invention, mais celle-ci est bien entendu applicable à tout robot autonome, par exemple

pour toute autre fonction de nettoyage, telle que le polis-

sage d'un plancher.

On décrit maintenant brièvement la fonction d'o-

rientation. Pour cette fonction, on utilise un dispositif d'orientation qui comprend additionnellement un certain

nombre de sous-programmes pour le microprocesseur, en par-

tie pour le guidage du robot toutes les 20 millisecondes et en partie pour son positionnement. Au début d'un suivi des murs, la position de tous les répondeurs est inconnue, sauf celle du répondeur 31, c'est-à- dire la "balise 0",

qui sert de point de départ pour l'orientation et consti-

tue donc l'origine de son propre système de coordonnées.

Cela peut être amélioré dans une certaine mesure si on prévoit qu'un répondeur supplémentaire est toujours présent le long du même mur que le point de départ. La figure 6 illustre une position de départ à laquelle une impulsion de son est enregistrée par la "balise 3", c'est-à-dire le répondeur 34. Le temps mis par une impulsion ultrasonique

pour se propager d'un émetteur ultrasonique 20 de l'aspi-

rateur 10 jusqu'au répondeur 34 par exemple fournit une mesure de la distance au répondeur. Le répondeur accuse

lui-même réception de ce qu'il a détecté l'impulsion ultra-

sonique, par émission en retour sur une autre fréquence, par exemple une impulsion de lumière ou une impulsion

d'onde radio, vers un récepteur prévu dans l'aspirateur.

Le temps mis par cette onde électromagnétique pour sa propagation en retour est comparativement négligeable et on obtient la distance dl au répondeur, par déduction à

partir de l'intervalle de temps entre l'émission de l'im-

pulsion et sa détection par le répondeur. On sait alors que le répondeur se trouve en un point d'un cercle dont le centre est à l'endroit de l'émetteur 20 et dont le rayon est égal à dl. Par exécution de la rotation décrite plus haut autour de l'axe de rotation de l'appareil, on obtient également une estimation dégrossie de la direction, mais

pas de la distance.

Les valeurs mesurées ainsi obtenues doivent tou-

jours être traitées comme des valeurs incertaines, ce qui implique qu'elles doivent encore être traitées d'une

manière appropriée, par exemple par une méthode de filtra-

ge ou par un calcul de probabilité. Ainsi, une façon pour positionner le répondeur par rapport au robot consiste par exemple à appliquer une méthode d'hypothèse, illustrée

sur la figure 7, ce qui signifie que, pour chaque répon-

deur, on essaie un certain nombre de filtres de Kalman en parallèle, par exemple quatre sur la figure 7 (on peut

trouver une description complète des équations de Kalman par exemple dans A. Gelb "Applied Optimal Estimation", MIT Press, 1975 et

dans H. Sorenson "Kalman Filtering: Theory and Application", IEEE Press, 1985). Bien entendu, on peut

également utiliser d'autres types de filtres. Ce traite-

ment correspond donc, sur la figure 7, à quatre hypothèses

différentes, parmi lesquelles on en choisira une progressi-

vement. Lorsque la distance dl du répondeur est obtenue,

la position initiale du répondeur dans le filtre respec-

tif est désignée par (xrobot+dl, Yrobot), (Xrobot' Yrobot +dl), (xrobot, Yrobot-dl) et (Xrobot-dl, Yrobot). Si aucun filtre ne converge, on rejette toutes les hypothèses et on

répète la méthode. Lorsqu'on a trouvé une "meilleure es-

timation", on peut utiliser cette valeur dans un nouvel

ensemble de calculs o on utilise à nouveau toutes les va-

leurs collectées, mais dans l'ordre inverse. Le résultat

ainsi obtenu est plus précis que le premier résultat obtenu.

On mesure essentiellement seulement la distance à

la balise mais on ne sait rien en ce qui concerne la di-

rection. Si le filtre de Kalman obtient des valeurs indi-

catives très erronées pour la position de la balise, le filtre ne converge pas. Par introduction de la rotation de l'appareil comme décrit plus haut et obtention de cette façon d'une première estimation de la direction, on peut

choisir directement l'hypothèse ayant la plus grande proba-

bilité de convergence et, en même temps, on peut omettre la plus grande partie des hypothèses. Par conséquent, il

est très probable que, même avant que l'appareil ait ef-

fectué le premier parcours périmétrique, il ne restera pas plus d'une hypothèse pour chaque position de balise. On

peut alors interrompre les calculs des positions des ba-

lises et l'appareil peut commencer à utiliser la balise respective dans les estimations de position (si une balise n'a pas obtenu une détermination suffisamment précise, on continue bien entendu l'estimation de position pour cette

balise afin d'obtenir une meilleure précision).

Une autre méthode de positionnement du répondeur

peut consister en une détermination de type géométrique.

Cette méthode est schématisée sur la figure 7 et la figure 8 et elle est basée sur le fait que le robot s'est déplacé jusque là d'une manière telle qu'on peut définir deux "jambes" sl et s2 qui constituent, en combinaison avec les distances de répondeur dl,d2 et d3, la base d'un calcul

trigonométrique de la position du répondeur. La détermina-

tion géométrique fournit alors de préférence une valeur

initiale pour le filtre de Kalman. Pour obtenir une préci-

sion suffisante, la méthode nécessite que sl et s2 aient une longueur suffisante et se coupent avec un certain angle minimal. La méthode est en partie prolixe, puisque toutes les distances de répondeur mesurées entre les positions 1 et 2 doivent être stockées (elles seront ensuite filtrées

lorsque la valeur initiale aura finalement été déterminée).

En outre, certaines géométries combinées à un ameublement

défavorable peuvent impliquer que le répondeur est seule-

ment visible occasionnellement, ce qui peut avoir pour

conséquence que deux "jambes" ne sont jamais engendrées.

La figure 6 illustre un positionnement d'un ré- pondeur 34, suivant une séquence qui doit être entièrement

exécutée pour chaque répondeur détecté. Les éléments prin-

cipaux d'une telle séquence sont par exemple comme indi-

qué ci-après.

(a) Le robot se déplace à partir du répondeur 31 et ob-

tient la distance au répondeur 34. La première me-

sure dl est obtenue comme échantillon 1.

(b) On démarre alors un programme de filtrage dans le

microprocesseur, avec quatre filtres de Kalman il-

lustrés (en réalité, au nombre de douze dans la pratique). La position initiale de chaque filtre

est uniformément répartie sur un cercle de rayon dl.

(c) Chaque nouvel échantillon est entré dans un filtre respectif. Sur la figure,quatre filtres travaillent en parallèle avec les mêmes données (échantillons

1,2,3,...).

(d) Les échantillons 1,2,3,... (les distances de ré-

pondeur) sont stockés en même temps que la position

de robot. Ces valeurs seront utilisées ultérieure-

ment pour un filtrage répété de la meilleure hypo-

thèse.

(e) Le filtrage continue jusqu'à ce qu'un filtre en par-

tie ait abouti (atteint une précision donnée) et

en partie ait converge, c'est-à-dire lorsque le ré-

sidu de la différence entre la distance prévue et la distance mesurée du répondeur tombe au-dessous d'une

valeur donnée.

(f) Le résultat de la meilleure hypothèse est vérifié

en ce qui concerne la probabilité. Ensuite, on pro-

cède à un nouveau filtrage avec les données de sor-

tie de la meilleure hypothèse comme valeur initiale

du répondeur, ce qui donne une meilleure précision.

Finalement, on transfère la position de répondeur au système de navigation (par exemple sous la forme d'une image de carte) et on l'utilise pour le posi-

tionnement du robot.

Si, par une estimation initiale de la direction,

on peut rejeter un certain nombre d'hypothèses, il en ré-

sulte une amélioration importante puisqu'une capacité de

calcul plus petite est nécessaire pour que le microproces-

seur central positionne les répondeurs. Lorsque le robot a terminé un tour complet autour du local, les positions de tous les répondeurs dans le mode de réalisation illustré sont introduites avec une bonne précision dans une "image de carte" qui est limitée par les parois du local, et les autres obstacles éventuels,que le système ultrasonique pour la zone proche a effectivement découvert pendant ce tour du local, sont également introduits dans l'image de carte. Ensuite, le robot commence à exécuter sa fonction de nettoyage conformément à son image de carte et il suit

un chemin calculé pour couvrir toute la surface du local.

Le déroulement des évènements est périodique et il

est répété toutes les 100 millisecondes. Les points princi-

paux exécutés dans chaque période sont par exemple comme

indiqué ci-après.

(a) Le robot émet une impulsion d'ultrasons ayant une séparation de temps de 100 millisecondes. L'impulsion atteint les répondeurs qui répondent, dans le mode préféré de réalisation, par communication de leur identité au moyen d'une lumière infrarouge après une temporisation (de l'ordre de 40 ms). La réponse du répondeur est ensuite répétée après une temporisation

individuelle qui est indiquée dans le code de répon-

se. Cela diminue le risque que les répondeurs "inter-

fèrent par communication simultanée". Le temps écoulé

depuis l'émission de l'impulsion d'ultrasons jus-

qu'à la réception de la réponse de lumière (avec compensation d'une temporisation éventuelle) donne

une mesure de la distance du robot au répondeur.

(b) Un processeur de signal numérique, par exemple du

type TMS320C50 de Texas Instruments, mesure l'inter-

valle de temps mentionné, pour tous les répondeurs.

On obtient alors une distance chronologique pour

chaque répondeur, sauf pour ceux qui sont momenta-

nément cachés. Dans l'exemple de la figure 6,on ob-

tient une mesure pour les répondeurs 31,33 et 34,

les deux derniers étant considérés comme placés con-

formément au chapitre précédent. Le répondeur 31

est toujours placé à l'origine du système d'orienta-

tion.

(c) Les mesures sont transférées du processeur de signal au microprocesseur, qui est un modèle MC68332 de

Motorola dans le mode de réalisation illustré.

(d) Le filtre de Kalman exécute maintenant une prédic-

tion. Autrement dit, la saisie d'une position consi-

dérée par le filtre est avancée du point de mesure

précédent au point de mesure présent. Cela est réali-

sé en ce qu'une nouvelle position est obtenue à par-

tir de la génération de chemin, qui fixe à son tour l'information dans un compte mort, au moyen des roues

12 et 13, conformément à une technique bien connue.

Sauf pour l'exécution d'un calcul initial de la posi-

tion du robot, cette technique demande en outre la

prévision d'une dite matrice de covariance (voir éga-

lement A. Gelb "Applied Optimal Estimation", MIT Press, 1985 et H. Sorenson "Kalman Filtering: Theory and Application", IEEE Press, 1985). Dans les

équations de Kalman, des vitesses de roue sont suppo-

sées comme données d'entrée mais, puisque la généra-

tion de chemin a déjà intégré ces valeurs à une posi-

tion,celle-ci est directement entrée dans le filtre.

Les principes sont équivalents mais la méthode préfé-

rée donne une plus grande précision puisque la géné-

ration de chemin guide le véhicule toutes les 20 mil-

lisecondes et fonctionne donc cinq fois plus souvent

que l'émetteur de détection.

(e) Pour chaque mesure (pour dl,d2 et d3 sur la figure

8),on procède maintenant à une pondération, une me-

sure après l'autre. Le filtre combine alors la po-

sition de robot prévue avec la distance de répondeur respective, de sorte qu'on obtient une nouvelle et meilleure estimation de la position considérée. En outre, à chaque instant, on met à jour la matrice de covariance. (f) Lorsque toutes les distances de répondeur ont été

pondérées, un module de gestion de position enre-

gistre sa nouvelle saisie de la position considérée, en même temps que l'instant de la mesure, dans une zone de données et indique par un drapeau que de nouvelles données sont disponibles. La génération de

chemin lit les données et efface le drapeau.

Tous les calculs sont réalisés,dans le mode de ré-

alisation illustré, par utilisation d'une arithmétique d'entiers, et une transformation d'échelle est appliquée

conformément à la table ci-après. Par "échelle", on dési-

gne la valeur du bit de poids faible, tandis que la "lon-

gueur de mot" désigne le nombre de bits utilisés pour re-

présenter la quantité.

Quantité Echelle Longueur de mot Distance 1 mm 16 Angle 90 /1024 16 Position 1 mm 16 Temps 1 ms 32 Dans un mode préféré de réalisation de l'appareil, on utilise la même impulsion d'ultrasons pour la détection d'une zone proche (de l'ordre de 0 à 40 cm) à l'avant du

robot, au moyen de cinq éléments de réception pour les ul-

trasons, ces éléments étant répartis sur le compartiment avant, en principe à l'avant de l'émetteur d'ultrasons 20 sur l'aspirateur 10. Chacun de ces éléments de réception fonctionne ensuite dans un intervalle ou créneau de temps, après émission de l'impulsion d'ultrasons, qui correspond à une zone immédiatement proche et sert à découvrir des

obstacles supplémentaires qui n'ont pas été découverts pen-

dant le premier tour d'exploration autour du local. En ou-

tre, au moins un de ces éléments de réception est utilisé pour vérifier la proximité du mur du côté gauche pendant

le premier tour d'exploration vers la droite.

D'autre part, dans un mode préféré de mise en

oeuvre du procédé et du système suivant la présente inven-

tion, une première réponse du répondeur sur la deuxième

fréquence, c'est-à-dire dans ce cas le signal de rayonne-

ment infrarouge renvoyé au robot, est retardée d'une pre-

mière temporisation fixe (de l'ordre de 40 ms) afin de don-

ner au microprocesseur un temps supplémentaire pour le trai-

tement des échos venant de la zone proche et enregistrés par les éléments de réception sur le robot. Ensuite, une deuxième réponse est transmise additionnellement et elle a une deuxième temporisation (de l'ordre de 5 à 20 ms) qui est spécifique pour chaque répondeur, afin de donner au

système une autre possibilité de séparation de deux répon-

deurs qui ont envoyé simultanément leur première réponse.

Le signal d'infrarouge contient alors, d'une manière connue, un code d'impulsion identifiant chaque répondeur et, dans le mode de réalisation illustré,on utilise 8 bits dont

4 bits servent à l'identification, ce qui donne en compta-

ge binaire ordinaire seize adresses d'identification diffé-

rentes. Puisqu'un répondeur répond au plus tôt 40 ms en-

viron après l'émission d'une impulsion par le véhicule, un répondeur peut théoriquement être situé à plus de 100 m

du véhicule ou du robot, sur la base de la vitesse de pro-

pagation d'une onde sonore longitudinale.

Dans un autre mode de réalisation d'un système d'orientation au moyen d'un ou plusieurs répondeurs, un signal de déclenchement est au contraire envoyé au répon- deur sur une deuxième fréquence ayant de préférence une propagation rapide, par exemple par l'intermédiaire d'une lumière infrarouge d'une onde électromagnétique, et le répondeur répond sur une première fréquence ayant un type

d'onde de propagation lente, de préférence des ultrasons.

Dans ce cas, la mesure de la distance s'effectue du répon-

deur à l'appareil autonome, et non de l'appareil autono-

me au répondeur comme dans le premier mode de réalisation.

Il en résulte que, dans le dernier mode de réalisation, on place dans l'appareil mobile la partie de la logique

qui traite cette mesure de distance et effectue l'estima-

tion si une mesure de distance obtenue est à l'intérieur d'une fenêtre de mesure prévue. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'appareil mobile peut donc, si on le désire, également déclencher en séquence les répondeurs un par un

afin d'obtenir une réponse sur la fréquence de propaga-

tion lente, pour mesurer la distance à chaque répondeur considéré par utilisation de son adresse spécifique. En

outre, dans une variante de ce deuxième mode de réalisa-

tion, il est possible, comme précédemment, d'obtenir un meilleur niveau de sécurité du système par identification

du répondeur au moyen du signal qui est émis par le répon-

deur. Dans les derniers modes de réalisation, 1' appareil mobile peut comporter, à la place du récepteur pour une lumière infrarouge ou uneautre onde électromagnétique par exemple, un émetteur supplémentaire pour un signal de ce

type, en même temps que les récepteurs et leur électroni-

que associée pour le radar à ultrasons,qui est utilisé pour la détection de proximité, peuvent également si on le désire servir à l'enregistrement des réponses provenant

des répondeurs. Une description plus détaillée de ce deu-

xième mode de réalisation n'est pas nécessaire pour un

homme de l'art qui pourra déterminer complètement, à par-

tir de la description détaillée précédente du premier

mode de réalisation et par analogie complète avec celui- ci, le fonctionnement du deuxième mode de réalisation du

système de réponse et du dispositif répondeur.

Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in-

vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réa-

lisation et d'application qui viennent d'être décrits de

façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tou-

tes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du tech-

nicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la por-

tée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1.- Procédé de mesure rapide d'une direction par rapport à des balises d'orientation pour un appareil autonome (10), qui est pourvu d'une paire de roues (12) et de moteurs d'entraînement qui font pivoter l'appareil

autour d'un axe de rotation (25), ledit appareil compre-

nant un système de microprocesseur pour l'orientation et

le guidage de l'appareil et un système d'orientation compor-

tant au moins un émetteur (20) et un récepteur,et une pluralité de répondeurs (31-34) sont disposés dans la zone o l'appareil (10) doit travailler et ledit système de

microprocesseur utilise lesdits répondeurs pour l'orienta-

tion de l'appareil dansla zone afin d'exécuter une fonc-

tion, caractérisé en ce que: l'émetteur (20) de l'appareil autonome (10) est

placé à une position différente de celle de l'axe de rota-

tion (25) de l'appareil (10); lorsque l'appareil (10) quitte une position de garage comportant un premier répondeur de balise connu (31), l'appareil (10) pivote au moins d'un tour autour de son axe de rotation en même temps qu'il mesure, par son système d'orientation, les distances à tous les répondeurs

disponibles (31-34), ledit système de microprocesseur en-

registrant également, pour chaque signal de détection émis,

l'angle de pivotement de l'appareil par rapport à une posi-

tion de début du pivotement,

de sorte qu'on obtient une distance minimale à un répon-

deur respectif lorsque l'émetteur de l'appareil se trouve

juste sur une ligne droite entre l'axe de rotation de l'ap-

pareil et un répondeur respectif, ce qui permet d'obtenir une détermination immédiate grossière d'une direction vers

chaque répondeur disponible.

2.- Procédé suivant la revendication 1, carac-

térisé en ce que le pivotement autour de l'axe de rotation peut être répété au moins une fois lorsque l'appareil a parcouru une distance prédéterminée à partir de son point

de départ.

3.- Procédé suivant la revendication 2, carac-

térisé en ce que la mesure de la direction et de la dis- tance par rapport à un répondeur utilise deux fréquences

différentes, dont l'une a une vitesse de propagation rela-

tivement faible et dont l'autre a une grande vitesse de propagation, une première fréquence étant constituée par

une onde acoustique et une deuxième fréquence étant cons-

tituée par une onde électromagnétique.

4.- Procédé suivant la revendication 3, carac-

térisé en ce que ladite première fréquence est constituée par une onde dans le domaine des ultrasons, tandis que ladite deuxième fréquence est constituée par un signal de

lumière infrarouge ou un radiosignal.

5.- Procédé suivant la revendication 4, carac-

térisé en ce que ladite première fréquence à propagation lente est émise de façon omnidirectionnelle par l'émetteur

de l'appareil autonome.

6.- Procédé suivant la revendication 5, carac-

térisé en ce qu'une réponse sur ladite deuxième fréquence à propagation rapide est retardée, à partir d'un répondeur,

d'un laps de temps prédéterminé afin de laisser à l'appa-

reil autonome le temps pour traiter la réflexion sur ladite première fréquence et détecter ainsi la zone de proximité

de l'appareil autonome.

7.- Procédé suivant la revendication 6, carac-

térisé en ce que chaque répondeur est identifié par le mi-

croprocesseur à partir du contenu d'une réponse sur la deuxième fréquence, dans laquelle est indiquée l'identité

spécifique du répondeur.

8.- Procédé suivant la revendication 7, carac-

térisé en ce que,à partir de chaque répondeur et après

transmission d'une première réponse indicative de la récep-

tion d'un signal sur ladite première fréquence, un signal

additionnel est émis après un intervalle de temps déterminé, qui est différent et spécifique pour chaque répondeur, afin de séparer les répondeurs dont la première réponse a été re-5 çue simultanément par le récepteur dans l'appareil autonome.

9.- Procédé suivant la revendication 7, caracté- risé en ce qu'un des répondeurs additionnels est toujours

placé le long du mur o se trouve la position de garage du premier répondeur connu.