BRPI0918941B1 - método automatizado para navegação autônoma de uma plataforma manobrável e sistema de navegação autônoma para manobrar uma plataforma manobrável - Google Patents

Abstract

método automatizado para navegação autônoma de uma plataforma manobrável, programa de computador, meio legível por computador e sistema de navegação autônoma para manobrar uma plataforma manobrável. é divulgado um método automatizado para navegação autônoma (21) de uma plataforma manobrável (20). o método inclui prover um sistema de navegação autônoma (21) que inclui um módulo de conscientização de situação ( 16) para receber dados a partir de um ou mais sensores (22, 26) sobre um ou mais parâmetros de identificação selecionados do grupo de parâmetros de identificação que inclui posição, curso e velocidade, relacionados com a plataforma e obstáculos na vizinhança da plataforma. a plataforma (20) também inclui um módulo de decisão (18) para escolher curso e velocidade para a plataforma baseado nos parâmetros de iden_!:ificação dos obstáculos na vizinhança da plataforma e nos dados sobre a posição da plataforma. o método inclui adicionalmente prover o módulo de decisão com informações sobre uma missão que inclua pelo menos uma tarefa atribuída à plataforma; e obter periodicamente os dados e escolher uma opção preferida usando o módulo de decisão, baseado nos parâmetros de identificação, atribuindo para cada opção de um conjunto de opções, cada opção definindo uma combinação distinta de curso e velocidade, um grau que é indicativo da desej abilidade daquela opção com relação a cada um dos obstáculos e com relação a cada um de uma pluralidade de objetivos, para cada opção somando os graus atribuídos àquela opção com relação a todos os obstáculos, sendo que a opção preferida é a opção cujos graus somados são indicativos da maior desejabilidade daquela opção.

Description

Campo da invenção [001] A presente invenção se relaciona com navegação. Mais particularmente, a presente invenção se relaciona com um sistema de navegação autônomo e método para uma plataforma manobrável.

Antecedentes da invenção [002] O uso de plataformas não manejadas pelo homem é vantajoso em muitas situações, tanto militares quanto civis. Para tal plataforma ser verdadeiramente útil, é desejável oferecer a capacidade navegacional autônoma da plataforma, caso contrário, comunicação contínua entre um operador remoto e a plataforma será requerida. Sem o controle contínuo ou capacidade de navegação autônoma, a plataforma pode colidir com obstáculos que não eram previamente conhecidos, colocando em perigo tanto a plataforma quanto outros na vizinhança. A uma plataforma manobrável pode ser designada uma missão que inclua uma ou mais tarefas que ela tenha que realizar. Tais tarefas podem incluir, por exemplo, viajar para um local definido, ou ponto de referência, e executar uma atividade definida no local, ou ser uma tarefa não bem definida tal como patrulhar uma área. A rota viajada deve ser selecionada de modo a evitar obstáculos e zonas restritas. Tais obstáculos podem ser fixos, ou podem ser móveis. Uma vez que as posições de obstáculos em movimento, tais como outras plataformas, podem estar mudando constantemente, uma plataforma autônoma deve preferivelmente ser capaz de detectar tais obstáculos, estimar suas rotas antecipadas, e

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2/36 manobrar de maneira tal a evitar uma colisão. Portanto, para completar uma tarefa na ausência de orientação contínua a partir de um operador humano, uma plataforma deve ser preferivelmente capaz de executar autonomamente funções tais como navegação, se conformar a um cronograma, selecionar uma rota para evitar obstáculos fixos conhecidos ou outras áreas proibidas, detectar os locais e cursos de obstáculos e outras plataformas, e se conformar a regras definidas tais como regulamentações de tráfego.

[003] Em particular, tais considerações se aplicam a um veículo de superfície não manejado pelo homem (USV) operando no mar, ou um veículo aéreo não manejado pelo homem (UAV). Para fins de brevidade um USV é considerado, mas isto não deve ser visto como limitando o escopo da presente invenção. Um USV, para evitar colisões com outras embarcações de superfície, deve ser preferivelmente capaz de detectar obstáculos e outros navios, determinar a velocidade e curso de outros navios, e ajustar seu próprio movimento (curso e velocidade) para evitar uma colisão. Ao manobrar para evitar uma colisão, um USV marítimo também deve preferivelmente se conformar com as Regulamentações Internacionais para Evitar Colisões no Mar (COLREGS). As COLREGS determinam a ação correta para evitar colisão quando navios marítimos se encontram. As COLREGS determinam, dependendo dos tipos dos navios se encontrando e das atividades nas quais os navios estão engajados, entre outras considerações, como cada navio é esperado a manobrar para evitar uma colisão.

Entretanto, sob algumas circunstâncias, as COLREGS podem ser ambíguas. Por exemplo quando mais que dois navios estão envolvidos, várias regulamentações podem se aplicar

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3/36 simultaneamente, cada uma prescrevendo uma ação diferente, algumas vezes contraditória. Em tais situações, um operador de navio é esperado a empregar julgamento e bom senso ao implementar as COLREGS de modo a mais bem evitar uma colisão. Por esta razão, as COLREGS são difíceis de assimilar na programação para um USV autônomo.

[004] Michael R. Benjamin (“Interval Programming: A MultiObjective Optimization Model for Autonomous Vehicle Control” [Programação por intervalos: Um modelo de otimização multiobjetivo para controle de veículo autônomo], Tese de doutorado, Brown University, 2002) descreve um método para controlar autonomamente um veículo usando funções de comportamento de programação por intervalos definidas por segmentos (IvP). As funções IvP são definidas por segmentos tal que cada ponto no espaço de decisão seja coberto por um e somente um segmento. As variáveis de decisão podem ser, por exemplo, curso e velocidade. As funções de comportamento são tipicamente uma aproximação de uma função verdadeira de utilidade subjacente do comportamento. De acordo com o método de otimização multiobjetivo descrito em US 7139741 (Benjamin), uma função IvP é definida para cada comportamento individual do veículo em cada etapa. Por exemplo, quando as regras COLREGS são consideradas, uma função IvP será definida para cada regra em cada etapa. Cerca de 600 segmentos lineares são usados para representar o comportamento do ponto de referência (alcançar um ponto de referência) (“Navigation of Unmanned Marine Vehicles in Accordance with the Rules of

The Road” [Navegação de veículos não manejados pelo homem de acordo com as regras da rota], Benjamin e outros, 5/2006). O problema da programação por intervalos consiste em um

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4/36 conjunto de k funções objetivo definidas por segmentos. Cada função objetivo (l...k), definida através de n variáveis de decisão tem um peso associado. Uma solução para o problema da programação por intervalos é a decisão única com o valor mais alto, quando avaliada por w1 x f₁(x₁, ... x_n) + ...w_k x f_k(x₁,

...xn). Tipicamente, acrescentar as funções de segmentos ponderados não criará uma outra função definida por segmento porque os segmentos de todas as funções IvP não se sobrepõem.

A intersecção é feita usando os limites superior e inferior de cada dimensão dos segmentos, tal que um novo segmento seja formado na intersecção dos dois segmentos. As combinações dos objetivos podem ser representadas em uma árvore, com k + 1 camadas, onde k é o número de funções objetivo. Cada camada l (l = 2, ..., k+1) na árvore representa todos os segmentos possíveis do objetivo 1-1 para cada segmento na camada de origem. Se, por exemplo, nós tivermos 5 objetivos com 600 segmentos cada, a árvore terá 6005 + 1 nós. Existem muitos algoritmos possíveis para consultar através da árvore. Um algoritmo conhecido é “Branch and Bound” [Ramal e Limite]. Na patente dos Estados Unidos 7139741 por Benjamin, Michael R.

um método usando estruturas de grelhas é ensinado. Como a função IvP deve ser formulada em relação a cada obstáculo e devido à pluralidade de numerosidades de restrições, em problemas de navegação do mundo real, o método proposto pode se tornar de difícil controle.

[005] Outros grupos descreveram métodos para navegação autônoma de um veículo terrestre, onde o movimento de veículos é limitado a caminhos ou cursos pré-determinados. Tais métodos plotam um curso ótimo adiantado, fazendo ajustes em resposta a obstáculos. Tais métodos não são adequados para

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5/36 navegação em tais situações como no mar aberto, onde veículos podem estar livres para viajar em quase qualquer direção.

[006] É um objetivo da presente invenção prover um sistema e método de navegação autônoma efetivo e flexível para uma plataforma manobrável não manejada pelo homem que permita a plataforma realizar uma missão enquanto evitando colisões ou encontros muito próximos com obstáculos e aceitando regulamentações de tráfego.

[007] Outros objetivos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão aparentes após a leitura da presente invenção e exame dos desenhos anexos.

Sumário da invenção [008] É portanto provido, de acordo com algumas configurações da presente invenção, um método automatizado para a navegação autônoma de uma plataforma manobrável, o método compreendendo:

[009] prover um sistema de navegação autônoma que inclua:

[0010] um módulo de conscientização de situação que receba dados de um ou mais sensores sobre um ou mais parâmetros de identificação selecionados do grupo de parâmetros de identificação que inclui posição, curso e velocidade, relacionados com a plataforma e obstáculos na vizinhança da plataforma;

[0011] um módulo de decisão para escolher curso e velocidade para a plataforma baseado nos citados um ou mais parâmetros de identificação de plataforma dos obstáculos na vizinhança da plataforma e nos dados sobre a posição da plataforma;

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6/36 [0012] prover o módulo de decisão com informações sobre uma missão que inclua pelo menos uma tarefa atribuída à plataforma; e [0013] obter periodicamente os dados e escolher uma opção preferida usando o módulo de decisão, baseado nos parâmetros de identificação, atribuindo, para cada opção a partir de um conjunto de opções, cada opção definindo uma combinação distinta de curso e velocidade, um grau que seja indicativo da desejabilidade daquela opinião com relação a cada um dos obstáculos e com relação a cada um de uma pluralidade de objetivos, para cada opção somando os graus atribuídos àquela opção com relação a todos os obstáculos, sendo que a opção preferida é a opção cujos graus somados são indicativos da maior desejabilidade daquela opção.

[0014] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o método inclui adicionalmente prover um módulo de controle de plataforma para manobrar a plataforma e comandar controles de acionamento da plataforma para aplicar o curso e velocidade da opção preferida para a plataforma.

[0015] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o método inclui adicionalmente planejar a citada pelo menos uma tarefa.

[0016] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o método inclui adicionalmente planejar um plano de missão para a missão.

[0017] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, a etapa de escolher uma opção preferida inclui determinar se a pelo menos uma tarefa pode não ser realizada de acordo com um plano antes de escolher a opção preferida.

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7/36 [0018] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, a etapa de determinar se a citada pelo menos uma tarefa pode não ser realizada de acordo com o plano inclui, para cada obstáculo, calcular posições projetadas da plataforma e daquele obstáculo para determinar a distância entre a plataforma e o obstáculo no ponto mais próximo de aproximação e tempo estimado para chegar ao ponto mais próximo de aproximação, e determinar, com relação a um tempo de reação antecipada e uma distância de escape adequada para aquele obstáculo e a plataforma, se aquela distância é menor ou maior que a distância de escape.

[0019] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o método inclui atribuir um peso a cada um dos objetivos indicativos de importância atribuída àquele objetivo, e na etapa de escolher a opção preferida, levar em conta os pesos atribuídos aos objetivos.

[0020] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, a etapa de atribuir um peso a cada um dos objetivos é executada usando um dispositivo de entrada.

[0021] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, os objetivos são selecionados a partir de um grupo de objetivos incluindo: conformação com as regras de tráfego, evitar colisões com outros obstáculos, manter uma velocidade dentro de uma faixa pré-definida, evitar substanciais mudanças de velocidade, evitar substanciais mudanças de curso, fazer uma mudança de curso notável, executar a tarefa de acordo com um plano e completar a tarefa.

[0022] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, a plataforma é selecionada de um grupo de

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8/36 plataformas que inclui: plataformas aéreas, terrestres e marítimas, manejadas pelo homem ou não manejadas pelo homem.

[0023] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o método inclui escolher uma opção que não seja a opção preferida.

[0024] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, é provido um programa de computador compreendendo meios de código de programa de computador adaptados para executar etapas do método quando o citado programa for executado em um computador.

[0025] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, é provido um meio lido por computador contendo instruções executáveis por computador, que quando executadas em um computador executam etapas do método mencionado acima.

[0026] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, é provido um sistema de navegação autônoma para manobrar uma plataforma manobrável, o sistema compreendendo:

[0027] um módulo de conscientização de situação que recebe dados a partir de um ou mais sensores sobre um ou mais

parâmetros	de identificação	selecionados do	grupo	de
parâmetros	de identificação	que inclui posição,	curso	e
velocidade,	relacionados com	a plataforma e obstáculos	na
vizinhança	da plataforma; e
[0028] um módulo de decisão para escolher	curso	e

velocidade para a plataforma baseado nos citados um ou mais parâmetros de identificação dos obstáculos na vizinhança da plataforma e os dados sobre a posição da plataforma, o módulo de decisão adaptado para obter periodicamente os dados e

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9/36 determinar uma opção preferida, baseado nos parâmetros de identificação, atribuindo, para cada opção a partir de um conjunto de opções, cada opção definindo uma combinação distinta de curso e velocidade, um grau que seja indicativo da desejabilidade daquela opção com relação a cada um dos obstáculos e com relação a cada um de uma pluralidade de objetivos, para cada opção somando os graus atribuídos àquela opção com relação a todos os obstáculos, sendo que a opção preferida é a opção cujos graus somados são indicativos da maior desejabilidade daquela opção.

[0029] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o sistema adicionalmente inclui um módulo de controle de plataforma para manobrar a plataforma comandando controles de acionamento da plataforma para aplicar o curso e velocidade da opção preferida para a plataforma.

[0030] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o módulo de decisão é projetado para calcular posições projetadas da plataforma e daquele obstáculo para determinar a distância entre a plataforma e o obstáculo no ponto mais próximo de aproximação e tempo estimado para chegar ao ponto mais próximo de aproximação, e determinar, com relação a um tempo de reação antecipada e uma distância de escape adequada para aquele obstáculo e a plataforma, se aquele distância é menor ou maior que a distância de escape.

[0031] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o módulo de decisão é adaptado para levar em conta um peso atribuído a cada um dos objetivos indicativo

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10/36 de importância atribuída àquele objetivo, quando escolhendo a opção preferida.

[0032] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, um dispositivo de entrada é provido a bordo da plataforma.

[0033] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, os sensores de ambiente são selecionados de um grupo de sensores incluindo: radar, sistema externo de comando e controle, sistema eletro-ótico de carga útil e de identificação automática (AIS).

[0034] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, os sensores de navegação são selecionados de um grupo de sensores incluindo: receptor de sistema de posicionamento global (GPS), unidade de medição inercial (IMU), Giro, acelerômetros, sensores 6DoF [6 Graus de Liberdade], bússola, e indicador de velocidade.

[0035] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, o sistema é provido adicionalmente com meios para fornecer informações sobre a opção escolhida para um operador humano.

[0036] Adicionalmente, de acordo com configurações da presente invenção, os meios para prover as informações incluem pelo menos um de um display, um alto-falante e uma impressora.

Descrição resumida dos desenhos [0037] Para melhor compreender a presente invenção, e apreciar suas aplicações práticas, as figuras seguintes são providas e referenciadas aqui a seguir. Deve ser notado que as figuras são proporcionadas somente como exemplos e de

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11/36 nenhum modo limitam o escopo da invenção. Componentes iguais são denotados por numerais de referência iguais.

[0038] A fig. 1 é um diagrama de blocos de um sistema de navegação autônomo para uma plataforma manobrável de acordo com configurações da presente invenção.

[0039] A fig. 2 ilustra um método para a navegação autônoma de uma plataforma manobrável de acordo com configurações da presente invenção.

[0040] A fig. 3 é um diagrama de fluxo de um algoritmo para determinar se uma plataforma manobrável navegada autonomamente pode executar uma tarefa de acordo com um plano pré-determinado, de acordo com configurações da presente invenção.

[0041] A fig. 4 é um diagrama de fluxo de um algoritmo para selecionar curso e velocidade preferíveis de uma plataforma manobrável navegada autonomamente de acordo com configurações da presente invenção.

[0042] A fig. 5 ilustra um exemplo de comportamento de uma plataforma manobrável com um sistema de navegação autônomo, de acordo com configurações da presente invenção.

[0043] A fig. 6 ilustra uma situação onde, de acordo com configurações da presente invenção, o sistema de navegação autônomo é forçado a parar de continuar a escolher opções ótimas de local que fazem a plataforma rumar para longe de seu destino e a impedem de realizar sua tarefa designada. Descrição detalhada de configurações [0044] Na descrição detalhada seguinte, numerosos detalhes específicos são registrados para prover uma compreensão perfeita da invenção. Entretanto, será entendido por aqueles de experiência ordinária na técnica que a invenção pode ser

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12/36 praticada sem estes detalhes específicos. Em outros casos, métodos, procedimentos, componentes, módulos, unidades e/ou circuitos bem conhecidos não foram descritos em detalhes de modo a não obscurecer a invenção.

[0045] Um sistema e método para a navegação autônoma de uma plataforma manobrável de acordo com configurações da presente invenção são aqui divulgados, objetivando permitir a plataforma realizar uma missão pré-determinada.

[0046] A um sistema de navegação autônoma de uma plataforma manobrável é atribuída uma missão, a qual a plataforma deve realizar e a qual, no contexto da presente invenção, é compreendida de várias tarefas. Uma missão pode incluir tarefas tais como, por exemplo, alcançar certos pontos de referência, patrulhar um setor designado, e seguir ou se aproximar de um objeto ou objetos. A missão também pode incluir outras tarefas. Tipicamente, as tarefas são executadas consecutivamente.

[0047] A plataforma manobrável pode ser, por exemplo, um veículo não manejado pelo homem ou um veículo manobrável manejado pelo homem (por exemplo, um veículo) operando em um modo de piloto automático durante o qual o veículo viaja autonomamente de um operador humano que está a bordo do veículo. Alternativamente, o sistema de navegação autônoma da plataforma manobrável pode atuar como um Sistema de Suporte à Decisão (DSS) para uma plataforma manejada pelo homem, ou controlada remotamente, auxiliando o operador humano a tomar decisões navegacionais sob circunstâncias onde muitos fatores diferentes devem ser levados em conta. No contexto da presente invenção plataforma se refere a qualquer plataforma que seja manejada ou não manejada, aérea,

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13/36 terrestre ou marítima (tal como, por exemplo, um barco, ou um submarino).

[0048] Referência é feita agora à fig. 1, ilustrando um diagrama de blocos de um sistema de navegação autônoma para uma plataforma manobrável de acordo com configurações da presente invenção.

[0049] A plataforma manobrável 20, por exemplo um USV marítimo, é equipada com o sistema de navegação autônoma 21, o qual controla o direcionamento e velocidade da plataforma manobrável 20.

[0050] Instruções definindo uma missão para o sistema de navegação autônoma 20 podem ser providas antes que a missão comece.

[0051] O sistema de navegação autônoma 21 pode incluir um ou mais processadores de computador. O sistema de navegação autônoma 21 pode ser dividido em vários módulos funcionais. Os módulos funcionais podem ser, por exemplo componentes separados de hardware de computador, ou funções separadas de software que compartilhem os mesmos componentes de hardware.

[0052] O módulo de controle de plataforma 14 pode receber instruções que são alimentadas diretamente ou comunicadas a partir da estação remota 10. As instruções podem definir a missão da plataforma manobrável e restrições na manobra da plataforma manobrável.

[0053] O módulo de controle de plataforma 14 pode comunicar instruções para o acionamento de plataforma 24. O acionamento de plataforma 24 pode mudar ou manter o curso e velocidade da plataforma manobrável. Por exemplo, quando a plataforma manobrável é um USV marítimo, o acionamento de

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14/36 plataforma 24 pode incluir controle de direção e de aceleração.

[0054] As instruções que o módulo de controle de plataforma 14 comunica para o acionamento de plataforma 24 podem depender de entrada a partir do módulo de Decisão 18 ou podem depender de entradas a partir dos sensores de ambiente 26 ou acionamento de plataforma 24. A tarefa do módulo de Decisão 18 é selecionar a combinação preferível de curso e velocidade a qualquer dado instante. A seleção de uma combinação preferível de curso e velocidade é baseada em informações da missão a partir do módulo de controle de plataforma 14, informações (daqui por diante referidas como Conscientização de Situação) relacionadas à situação corrente com relação a obstáculos, áreas restritas, rotas navais, plataformas costeiras e outras na vizinhança a partir do módulo de Conscientização de Situação 16, nas regras COLREGS e em outras instruções programadas. As instruções que o módulo de controle de plataforma 14 comunica para o acionamento de plataforma 24 podem ser modificadas a partir da entrada do módulo de Decisão 18 baseado nas limitações da plataforma, ou por outras razões. Por exemplo, se o módulo de Decisão 18 selecionar uma grande mudança de curso ou velocidade, o módulo de controle de plataforma 14 pode instruir o acionamento de plataforma 24 executar somente uma mudança menor.

[0055] As instruções podem ser providas para um operador humano para definir o curso e a velocidade da plataforma de acordo com estas instruções. As instruções podem ser providas em forma de áudio ou visual, tal como por exemplo, em uma tela de display, uma impressora para imprimir uma impressão,

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15/36 um alto-falante para prover uma mensagem de áudio, ou outras formas de áudio ou vídeo. Alternativamente, ou adicionalmente, as instruções podem ser transferidas para o módulo de Controle 14.

[0056] O módulo de controle de plataforma 14 pode modificar as instruções em resposta a condições, por exemplo condições de ondas ou vento, que tornem a execução do curso selecionado pelo módulo de Decisão 18 difíceis de executar ou não ótimas em relação às condições ou limitações da plataforma.

[0057] O módulo de Conscientização de Situação 16 descreve as posições relativas e velocidades correntes de obstáculos e outras plataformas na vizinhança da plataforma manobrável. O módulo de Conscientização de Situação 16 recebe dados a partir de sensores (tais como, por exemplo, sensores do ambiente 26) sobre um ou mais parâmetros de identificação os quais incluem posição, curso e velocidade, relacionados com a plataforma e obstáculos na vizinhança da plataforma. Por posição é significada a posição absoluta da plataforma e obstáculos, ou a posição relativa entre eles. Parte destas informações pode ser recebida a partir da estação remota 10, antes ou durante a execução da missão. Os sensores de ambiente 26 podem incluir radar, sistema de identificação automática (AIS), e quaisquer outros sensores que possam auxiliar a detectar e identificar obstáculos e plataformas. Outros sensores, tais como, por exemplo, sensores indicando status do motor, combustível, óleo, aceleração, e outros parâmetros de acionamento podem ser incluídos nos sensores de ambiente.

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16/36 [0058] Em adição, o módulo de Conscientização de Situação pode receber dados a partir de sensores de navegação 22. Os sensores de navegação 22 podem incluir um receptor de Sistema de Posicionamento Global (GPS), uma unidade de medição inercial (IMU), uma bússola, e um indicador de velocidade. A entrada a partir dos sensores de navegação 22 facilita determinar a posição e curso correntes da plataforma manobrável.

[0059] Para determinar sua própria posição e as posições de obstáculos e outras plataformas em sua vizinhança, o sistema de navegação autônoma pode receber entradas a partir de vários sensores. Para determinar sua própria posição, os sensores do sistema de navegação autônoma podem incluir um receptor de Sistema de Posicionamento Global (GPS), uma unidade de medição inercial (IMU), e uma bússola. Para determinar as posições e velocidades de outros objetos e plataformas em sua vizinhança, os sensores podem incluir radar, um sistema de identificação automático (AIS) para receber informações de identificação e navegacionais a partir de navios navegando no mar ou objetos também equipados com AIS, ou quaisquer outros sensores que auxiliem a detectar e identificar objetos.

[0060] Baseado nas informações recebidas a partir das várias fontes, o módulo de Conscientização de Situação 16 constrói uma figura do status corrente. A figura do status corrente inclui informações com relação à identidade, localização relativa, e curso de cada obstáculo ou plataforma na vizinhança da plataforma manobrável, bem como as posições relativas de zonas restritas ou outras áreas às quais restrições se aplicam. O módulo de Decisão 18 recebe as

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17/36 informações de status do módulo de Conscientização de Situação 16, e usa estas informações no processo para tomar decisões navegacionais.

[0061] Um operador na estação remota 10 pode comunicar instruções para o módulo de controle de plataforma 14 via o link de comunicação 12, tal como, por exemplo, um link de comunicação sem fio ou alimentar os dados diretamente usando interface de usuário 15 (quando o operador está a bordo da plataforma). Estas instruções podem incluir, por exemplo, informações da missão, tais como novas tarefas, tarefas acrescentadas ou mudadas, mudanças para a missão em progresso ou uma nova missão, mudança ou adição de pontos de referência, informações com relação a novas restrições ou obstáculos, informações sobre o cronograma da missão. Instruções com relação a um ponto de referência podem incluir coordenadas geográficas, um cronograma definindo quando chegar ao ponto de referência, quão proximamente se aproximar do ponto de referência, direção a partir da qual se aproximar do ponto de referência, ordem preferida na qual chegar aos vários pontos de referência, e a importância relativa da tarefa de alcançar o ponto de referência. As instruções podem permitir o sistema de navegação autônoma definir pontos de referência de uma maneira autônoma (“lançar e esquecer”). Por exemplo, as instruções podem requerer que a plataforma manobrável procure um objeto que atenda critérios prédefinidos (tais como faixa de tamanho, faixa de velocidade, tipo de objeto) e se aproxime dele de uma maneira prédefinida. Por exemplo, um objeto detectado cujo tamanho e velocidade estão dentro de faixas pré-definidas deve ser aproximado dentro de uma direção pré-definida. As instruções

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também podem	permitir o	sistema	de	navegação	autônoma
selecionar	sua	própria rota	dentro	de	restrições	vagamente
definidas.	Por	exemplo, a	plataforma	manobrável	pode ser

instruída a patrulhar uma área definida.

[0062] A estação 10 se comunica via uma conexão remota 12 com o sistema de navegação autônoma 21 a bordo da plataforma manobrável 20. Por exemplo, quando a plataforma manobrável 20 é um USV marítimo, a estação 10 está localizada na costa. Entretanto, no caso de uma plataforma manejada pelo homem operando em um modo de piloto automático, a estação pode estar localizada na própria plataforma manobrável 15. Por meio da estação 10, também é possível controlar remotamente a plataforma manobrável manualmente e em tempo real.

[0063] Em adição, um operador na estação remota 10 pode alimentar instruções com relação a restrições sobre a manobra da plataforma manobrável. Por exemplo, o operador pode definir zonas restritas, que são áreas que a plataforma manobrável é instruída a evitar. No caso onde a plataforma manobrável é um USV marítimo, tal zona restrita pode incluir, por exemplo, uma área com águas rasas ou obstáculos submarinos, uma região circundando uma bóia fixa, áreas nas quais tráfego de barcos não é permitido, áreas de tráfego pesado de barcos e áreas minadas. As instruções com relação a uma zona restrita podem incluir coordenadas definindo os limites da zona restrita e um fator de peso que reflita a importância relativa de evitar a zona. As instruções também podem indicar uma preferência por uma certa rota, por exemplo, uma pista ou rota no mar, atribuindo um peso que indique a relativa desejabilidade em seguir aquela rota.

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19/36 [0064] De acordo com configurações da presente invenção, as instruções podem ser providas antecipadamente ou comunicadas para o sistema de navegação manobrável da plataforma manobrável durante a execução da missão. As instruções podem incluir, por exemplo, tarefas novas ou adicionais, tais como, por exemplo, pontos de referência, uma trajetória geral, e restrições sobre a manobrabilidade da plataforma. As instruções podem ser alimentadas ou comunicadas para o sistema antes ou no início da missão, ou em um ponto posterior. As instruções podem ser modificadas em qualquer ponto durante a missão.

[0065] As instruções podem ser formuladas de modo a permitir o sistema de navegação autônoma definir os detalhes de sua missão. Por exemplo, as instruções podem definir uma tarefa para patrulhar uma área até identificar e encontrar um objeto definido, em cujo momento a plataforma autônoma deve seguir aquela plataforma. Como um outro exemplo, o sistema de navegação autônoma pode ser instruído para empregar a trajetória mais curta até um ponto de referência definido baseado em obstáculos conhecidos e zonas restritas. A trajetória mais curta então é incorporada nos objetivos da missão (ou tarefa) como uma instrução para viajar ao longo da trajetória definida. Técnicas de otimização (p.ex., “Fast Marching” [Marcha rápida]) podem ser usadas no planejamento da trajetória.

[0066] Enquanto executando sua missão, a plataforma autônoma emprega sensores ou informações recebidas de uma estação remota, para determinar sua própria posição, e para detectar, e para determinar as posições e velocidades relativas de, outras plataformas e objetos em sua vizinhança

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20/36 (Conscientização de Situação). A velocidade é definida por uma velocidade, e por uma direção de movimento ou curso. Objetos podem incluir, por exemplo, obstáculos estacionários bem como outras plataformas que podem estar em movimento, com todas as quais colisões devem ser evitadas, zonas restritas, rotas navais e linhas costeiras. Em intervalos pré-determinados, o sistema de navegação autônoma gera um conjunto de ações possíveis que a plataforma autônoma é capaz de executar. Cada ação possível é caracterizada geralmente por um curso específico e uma velocidade específica.

[0067] O sistema de navegação autônoma 21 pode incluir um ou mais processadores de computador. Um sistema de navegação autônoma 21 pode ser dividido em vários módulos funcionais. Os módulos funcionais podem ser, por exemplo, componentes separados de hardware de computador, ou funções separadas de software que compartilhem os mesmos componentes de hardware.

[0068] Alguns princípios primordiais no processo de tomada de decisão executado pelo módulo de Decisão 18, que é de fato uma espécie de processo de otimização multiobjetivo através de um espaço de solução discreto, são delineados aqui a seguir.

[0069] Para tornar o processo de tomada de decisão rápido e efetivo, valores de velocidade discretos (velocidade e curso) que formam um conjunto de ações possíveis para a plataforma autônoma 20 são considerados. Estes são denominados opções. Cada opção é uma combinação distinta de curso e velocidade.

[0070] Vários objetivos específicos são considerados. Os objetivos podem incluir, por exemplo, favorecer viajar no

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21/36 sentido de pontos de referência, favorecer viajar em trajetórias planejadas, seguir as regras COLREGS incluindo, por exemplo, evitar colisão, evitar substanciais mudanças de velocidade, fazer mudanças de curso notáveis e outros objetivos.

[0071] Por exemplo, as COLREGS requerem tomar ação antecipada e aparente para evitar uma colisão com outro navio. Também, em muitos casos, as COLREGS requerem que o curso de um navio se aproximando de um outro navio seja alterado para estibordo para evitar uma colisão. As regras também determinam, sob circunstâncias definidas, qual navio deve alterar seu curso para evitar uma colisão. Quando programando um sistema de navegação autônoma em um USV marítimo, a cada regra deve ser atribuído um peso de acordo com a importância considerada daquela regra. Deste modo, o sistema de navegação autônoma é capaz de se conformar às regras COLREGS.

[0072] Para outros tipos de plataformas, ou para um USV no porto, as regras de tráfego são diferentes. Um sistema de navegação autônomo de acordo com configurações da presente invenção pode ser programado com quaisquer regras de tráfego definidas. Em adição, o sistema de navegação autônoma pode ser programado para se conformar com um conjunto de regras quando localizado em uma área, e um outro conjunto de regras quando localizado em uma outra. Por exemplo, um sistema de navegação autônoma de um USV pode ser programado para se conformar com as regras COLREGS quando no mar, e com outras regras quando em um porto.

[0073] Obstáculos são considerados. Os obstáculos podem incluir, por exemplo, outras plataformas na vizinhança da

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22/36 plataforma autônoma, zonas impedidas ou proibidas, áreas minadas, obstáculos fisicamente limitantes (tais como, por exemplo águas rasas, linhas costeiras).

[0074] As configurações da presente invenção podem incluir um artigo tal como um meio lido por computador ou processador, ou um meio de armazenagem de computador ou processador, tal como por exemplo uma memória, um disk drive, ou uma memória flash USB, codificando, incluindo ou armazenando instruções, p.ex., instruções executáveis por computador, as quais quando executadas por um processador ou controlador, executam métodos divulgados aqui. As configurações da presente invenção podem incluir meios de código de programa de computador adaptados para executar todas ou partes de etapas de método.

[0075] Referência é feita agora à fig. 2, ilustrando um método para a navegação autônoma de uma plataforma manobrável de acordo com configurações da presente invenção.

[0076] O método pode tipicamente ser implementado na forma de um programa computadorizado (p.ex., um algoritmo) executado pelo módulo de Decisão (18, veja a fig. 1).

[0077] Primeiro uma missão é alimentada (200) . Isto pode ser feito, por exemplo, alimentando informações da missão usando uma interface de usuário (15 na fig. 1), ou transmitindo remotamente as informações da missão a partir de uma estação remota (10 na fig. 1). As informações da missão podem incluir uma ou mais tarefas que devem ser realizadas pela plataforma manobrável.

[0078] O módulo de Decisão então planeja automaticamente a missão (202). O plano da missão pode incluir determinar a

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23/36 ordem na qual as tarefas são executadas, e definir uma ou

mais rotas.
[0079]	O	algoritmo então	checa se a missão está	completa
(204). Se	a	missão estiver	completa então um sinal de	“missão
completa”	é	emitido (206).
[0080]	Se	a missão	não estiver completa,	então

Planejamento de Tarefa é executado (208) sobre a primeira tarefa a ser executada. O Planejamento de Tarefa pode incluir, por exemplo, planejar a melhor rota até o alvo, de acordo com critérios pré-definidos, ou de acordo com as instruções proporcionadas com relação àquela tarefa.

[0081] O algoritmo então continua determinando periodicamente a posição e posições projetadas de obstáculos na vizinhança da plataforma manobrável (210). Isto tipicamente pode ser executado em intervalos iguais de tempo (p.ex., a cada poucos minutos, a cada poucos segundos, a cada segundo e assim por diante). Os intervalos de tempo podem depender da natureza das plataformas manobráveis e dos obstáculos, podem depender da natureza da tarefa, podem ser determinados pelo programador do módulo de Decisão, ou podem ser selecionados por um operador. O intervalo pré-determinado deve preferivelmente ser longo o suficiente para permitir adquirir e processar dados a partir dos vários sensores. Em adição, o intervalo pré-determinado deve preferivelmente ser longo o suficiente para permitir a detecção de quaisquer mudanças de posição, curso, ou velocidade da plataforma autônoma ou de outros obstáculos (em particular obstáculos em movimento) na vizinhança. Por outro lado, o intervalo prédeterminado deve preferivelmente ser curto o suficiente tal que no evento que uma mudança de curso ou velocidade seja

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24/36 requerida, tempo suficiente esteja disponível para a plataforma autônoma executar seguramente a mudança. Se o intervalo for muito longo, as condições podem mudar entre as interações. Por exemplo, obstáculos que já foram detectados podem mudar de curso, e novos obstáculos podem ser detectados. No exemplo de um USV marítimo, um intervalo prédeterminado da ordem de uns poucos segundos pode ser apropriado.

[0082] Então é determinado se, baseado nas posições e posições projetadas dos obstáculos, a plataforma manobrável pode executar sua tarefa de acordo com o plano, (212) . Isto é descrito com referência à fig. 3 na correspondente explanação aqui a seguir.

[0083] Se a plataforma puder executar a tarefa (214), então é determinado se a tarefa está completa (216) em cujo caso o algoritmo volta para a etapa de planejamento de missão (202) para iniciar a tarefa seguinte. Se a tarefa não estiver completa então o algoritmo volta para determinar as posições e posições projetadas da plataforma e obstáculos em sua vizinhança (210), e segue as etapas seguintes.

[0084] Se, entretanto, as posições projetadas dos obstáculos forem tais que a plataforma não pode continuar a presente tarefa de acordo com o plano, então o algoritmo continua para selecionar novo curso e velocidade (alterados) (218). Isto é descrito na fig. 4 e na explanação correspondente aqui a seguir. O novo curso e velocidade são executados (220), e o plano da tarefa é examinado para determinar se ainda é ótimo (ou aceitável) dados o novo curso e velocidade (222). Esta etapa pode ser executada ocasionalmente e não para cada interação do algoritmo.

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25/36 [0085] Se o plano da tarefa permanecer ótimo (ou aceitável) então novamente é determinado se a plataforma manobrável pode executar sua tarefa de acordo com o plano (212) .

[0086] Se, entretanto, o plano da tarefa se tornar inaceitável ou não ótimo como um resultado do novo curso e velocidade, então segue-se a etapa de Planejamento de Tarefa (208).

[0087] O módulo de Conscientização de Situação (16 na fig. 1) pode fornecer constantemente informações sobre o status corrente (Conscientização de Situação 211) da plataforma e obstáculos na vizinhança da plataforma, bem como outros parâmetros do ambiente (tais como, por exemplo, direção e velocidade do vento, temperatura, condições de visibilidade). [0088] A fig. 3 é um diagrama de fluxo de um algoritmo para determinar se uma plataforma manobrável navegada autonomamente pode executar uma tarefa de acordo com um plano pré-determinado, de acordo com configurações da presente invenção.

[0089] A determinação de se a plataforma pode executar a tarefa de acordo com o plano (veja 212 na fig. 2) depende da posição corrente dos obstáculos na vizinhança da plataforma e sua posição projetada e de acordo com o plano. A “posição projetada” se refere à posição na qual um obstáculo é antecipado a estar à medida que o tempo passa. A posição projetada de um obstáculo estacionário é a mesma que sua posição corrente, enquanto a posição projetada de um obstáculo em movimento pode ser determinada extrapolando a partir de sua posição e velocidade correntes, adicionando uma bolha de incerteza que possa levar em conta as manobras

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26/36 possíveis do obstáculo. A posição projetada da plataforma manobrável pode depender da rota planejada pelo módulo de Planejamento de Tarefa 208.

[0090] Quando pelo menos um obstáculo é identificado (300), o procedimento seguinte pode ser executado com relação a cada um dos objetos identificados. Dependendo do tipo da tarefa (302) - informações que são providas a partir do

Planejamento da Tarefa 208, e dependendo do tipo de obstáculo (304), recuperadas a partir da Conscientização da Situação (211), um algoritmo que possa ser executado pelo módulo de Decisão considera um banco de dados de parâmetros COLREGS (308) para determinar a distância de escape e tempo de reação antecipada (312).

[0091] A distância de escape” é a distância mínima para a plataforma se manter afastada de um obstáculo para evitar colisão. A distância de escape” pode se relacionar, por exemplo, com o tipo de obstáculo e com o tipo de tarefa. O tempo de reação antecipada” é o tempo de reação mínimo necessário antes do momento antecipado no tempo no qual a plataforma e o obstáculo estão muito próximos, de modo a permitir espaço suficiente para a passagem segura da outra plataforma ou espaço suficiente para manobrar seguramente.

[0092] O tipo de tarefa é importante na determinação da distância de escape e tempo de reação antecipada. Por exemplo, em um caso de uma tarefa que inclua seguir um obstáculo, onde é importante que o obstáculo não detecte que ele está sendo seguido, pode ser desejado manter a plataforma a uma distância maior do obstáculo do que seria requerido por outras razões (tais como, por exemplo, prevenção de colisão). O tipo de obstáculo também é importante uma vez que a

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27/36 distância de escape e tempo de reação antecipada são diferentes para obstáculos de diferentes manobrabilidades. Um navio cargueiro reagirá diferentemente de um barco leve veloz (quando considerando tarefas marítimas), como um avião leve reagirá diferentemente de uma aeronave de passageiros (quando considerando tarefas aéreas).

[0093]	Dadas as	posições,	cursos e	velocidades do
obstáculo	(306) que	são providas	a partir da	Conscientização
de Situação (211),	e do plano	da	tarefa	(302), o	tempo
estimado,	mais curto que o tempo	de	reação	antecipada,	para
alcançar	o ponto mais próximo	de	aproximação (CPA),	e a
distância	entre	as plataformas	neste	instante	são
determinados(310).	A distância	de	escape	e a distância

calculada no CPA (314) são consideradas e é determinado se a distância no CPA, dentro do tempo de reação antecipada, será menor que a distância de escape (316).

[0094] Se a distância em CPA for menor que a distância de escape então é determinado que a plataforma não pode continuar sua tarefa de acordo com o plano (320). Caso contrário é determinado que a plataforma pode continuar a executar sua tarefa de acordo com o plano (318). Se for determinado que a plataforma não pode continuar a executar sua tarefa de acordo com o plano em relação a pelo menos um obstáculo, o sinal de 212 é colocado em 'não'.

[0095] Quando determinando um novo curso e velocidade para a plataforma um grau ponderado é calculado para cada opção de uma maneira que é descrita aqui a seguir, e uma opção preferida é selecionada de acordo. O grau ponderado de uma opção é indicativo da desejabilidade daquela opção com relação aos obstáculos e objetivos considerados.

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28/36 [0096] O grau de uma opção é uma soma de todos os graus calculados para aquela particular opção com relação a todos os objetivos e obstáculos. Para encontrar a opção preferida uma matriz tridimensional de graus pode ser gerada, onde cada elemento da matriz é um grau relacionado à particular opção, objetivo e obstáculo.

[0097] Um grau na matriz tridimensional pode indicar a desejabilidade da opção associada ou o nível de risco envolvido ao executar esta opção, com relação a um obstáculo e um dado objetivo.

[0098] No contexto de um USV, os objetivos podem incluir, por exemplo, executar a tarefa de acordo com o plano, se conformidade com várias regras de tráfego (p.ex., regras COLREGS), escape de colisões com vários obstáculos, manter uma velocidade dentro de uma faixa pré-definida, evitar substanciais mudanças de velocidade e fazer uma mudança de curso notável quando manobrando para evitar colisões com outro navio marítimo. Claro, outros objetivos também podem ser definidos.

[0099] Com relação a escape de colisões com um obstáculo na vizinhança da plataforma, a função de atribuição de grau pode se relacionar com o ponto no tempo e a distância entre a plataforma manobrável e o obstáculo no CPA (ponto mais próximo de aproximação). As opções possíveis podem ser graduadas com relação ao objetivo de manobrar em tempo de reação antecipada para evitar uma colisão projetada com o obstáculo. Por exemplo, um grau que indique a urgência de evitar uma colisão com um obstáculo pode ser atribuído baseado em uma função do tempo e distância previstos até a colisão projetada versus o tempo de reação antecipada e a

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29/36 distância de escape respectivamente (tal como uma função do inverso do quadrado).

[00100] Cada opção é graduada com relação a cada obstáculo com relação a cada objetivo.

[00101] A cada um dos objetivos podem ser atribuídos pesos. Considerando que as funções de graduação são tipicamente definidas e embutidas no sistema por programadores de sistemas, os pesos tipicamente são atribuídos a cada objetivo pelo supervisor da missão. Tipicamente os pesos são diferentes para tipos de missão variados. Por exemplo, para a missão confidencial de seguir ou se aproximar de um objeto, ao objetivo de seguir as regras COLREGS pode ser atribuído um peso menor que o mesmo objetivo para a missão de patrulhar uma área pré-definida. Os pesos são tipicamente atribuídos antes que a missão comece, podendo ainda possivelmente serem alterados à medida que a missão progrida.

[00102] O supervisor de missão pode considerar certos objetivos como mais importantes para uma missão específica do que outros objetivos, e indicar seu nível de importância atribuindo a eles pesos que representem seu nível de importância como o supervisor da missão os vê. Missões diferentes podem requerer que o planejador da missão atribua objetivos com pesos diferentemente.

[00103] Por exemplo, o supervisor da missão pode achar o objetivo de evitar colisão muito mais importante que manter uma velocidade dentro de uma faixa permitida, ou evitar mudanças de velocidade, e atribuir pesos que reflitam isto. A função de graduação para cada objetivo também pode ser projetada tal que para um objetivo a faixa de graus varie, por exemplo, entre -100 e 100, enquanto para um objetivo

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30/36 diferente a faixa seria entre -10.000 a 100, resultando em maior influência de um grau ruim para o último objetivo que um grau negativo para o objetivo anterior. Deve ser notado que tipicamente uma função de graduação diferente será atribuída a objetivos diferentes.

[00104] Uma vez que os graus tenham sido calculados para cada opção possível, com relação a cada obstáculo e cada objetivo, o sistema de navegação autônoma seleciona a opção cujo grau indica que ela é a ação a mais desejável com relação a todos os obstáculos e objetivos dentre o conjunto gerado de opções possíveis. Por exemplo, em um sistema onde a uma opção mais desejável é atribuída um grau com um valor positivo maior que aquele valor de grau atribuído a uma opção menos desejável, a opção com o máximo grau atribuído é selecionada. A opção selecionada é então executada pela plataforma autônoma.

[00105]	O	modo	que	um	grau ponderado para	cada opção é
calculado	é	explicado	com	referência à fig. 4.
[00106]	A	fig.	4 é	um	diagrama de fluxo de	um algoritmo

opcional para selecionar curso e velocidade preferíveis de uma plataforma manobrável navegada autonomamente de acordo com configurações da presente invenção.

[00107] Um grau é calculado para todas as possíveis combinações de obstáculos, opções e objetivos. Isto pode ser executado, por exemplo, usando loops-para, como demonstrado na fig. 4, onde primeiro contadores para os obstáculos (obsNum sendo o número de obstáculos na vizinhança da plataforma), as opções (optNum sendo o número de opções consideradas) e os objetivos (objNum sendo o número de objetivos definidos) são redefinidos para 1 (402). Cada um de

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31/36 o contador obsNum (404), contador optNum (406) e contador objNum (408) é adiantado em sua vez nos loops (412, 416 e 418 respectivamente), e a função de grau (410) é usada para calcular um grau para cada obstáculo, com relação a cada opção e cada objetivo. Os pesos são levados em conta (414) para cada objetivo.

[00108] O contador optNum é redefinido para 1 (421) e um grau para cada opção é calculado, usando um loop (entre 421 e 432) para somar todos os graus para aquelas opções com relação a todos os obstáculos (430). Quando todos os graus de opções estiverem calculados, a opção escolhida é determinada a ser a opção cujo grau é máximo (424). Os parâmetros para aquela opção escolhida (p.ex., curso e velocidade) são extraídos (a partir do banco de dados de opções 426), e o curso e velocidade escolhidos (428) são apresentados.

[00109] Uma função de grau para cada opção, objetivo e obstáculo é tipicamente pré-definida pelo programador de algoritmo, enquanto um peso para cada objetivo é tipicamente atribuído pelo supervisor da missão, seja antes que a missão comece, possivelmente mudando-o à medida que a missão progride.

[00110] Para otimizar o cálculo, vários objetivos, ou classes de objetivos, podem ser tratados de várias maneiras. Por exemplo, a uma opção cuja execução levaria a uma colisão que deve ser evitada a todo custo pode ser atribuído um grau altamente negativo, independente da desejabilidade daquela opção com relação a outros objetivos. Como um outro exemplo, uma opção pode ser eliminada da consideração baseado na mudança de curso ou velocidade que a opção proporciona. Por

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32/36 exemplo, pequenas mudanças que não sejam notáveis por outras plataformas podem ser eliminadas de consideração, enquanto grandes mudanças podem ser não alcançáveis pela plataforma. Alternativamente, pode ser inteligente não eliminar opções de modo a permitir escolher uma opção quando todas as opções são ruins.

[00111] A fig. 5 ilustra um exemplo de comportamento de uma plataforma de navegação autônoma de acordo com configurações da presente invenção.

[00112] À plataforma manobrável com um sistema de navegação autônoma 50 (indicado pelo símbolo losango), localizada em um ponto 50a, é atribuída uma missão que inclui uma tarefa de alcançar o ponto de referência 58. Uma trajetória planejada (indicada pela linha tracejada 50') é determinada no estágio de Planejamento de Tarefa (veja 208 na fig. 2), levando em conta a zona restrita 52. A presença afastada de obstáculos em movimento 54 (indicada pelo símbolo triângulo) e 56 (quadrado) - viajando ao longo das trajetórias 54' e 56' respectivamente, em nenhum momento afeta a trajetória

planejada,	uma vez que	os	obstáculos estão muito	afastados.
[00113] A	plataforma	50	viaja	do ponto	50a até	o	ponto 50b,
e então para o ponto	50c.	Naquele	ponto	os	sensores
ambientais	(26, veja	a	fig.	1) do sistema	de	navegação

autônoma a bordo da plataforma 50 não podem ignorar a presença (localização, curso e velocidade) do obstáculo se aproximando 56, que parece estar cruzando a trajetória planejada em um curso de colisão no sentido da plataforma 50, e o sistema de navegação autônoma seleciona executar uma mudança de curso (e talvez da velocidade) da plataforma no sentido do ponto 50d, no qual a presença (localização, curso

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33/36 e velocidade) da plataforma se aproximando 54 dita uma outra mudança no curso (e possivelmente velocidade) da plataforma

50 no sentido	do ponto	50e, ao	alcançar o	ponto	50e é
determinado	que	ambos os	obstáculos 54	e 56	estão	rumando
para longe	e a	plataforma	50 ruma	agora diretamente	para o
ponto 50f,	que	é onde	o ponto	de	referência 58 está
localizado.
[00114] A	fig.	6 ilustra	uma situação	onde,	de aco	rdo com
configurações da presente	invenção	, o	sistema	de navegação

autônoma é forçado a parar de continuar a escolher soluções ótimas locais que façam a plataforma rumar para longe de seu destino e a impeçam de realizar sua tarefa designada.

[00115] À plataforma manobrável com um sistema de navegação autônoma 60 é atribuída uma tarefa de alcançar o ponto de referência 61. O obstáculo 62 está se movendo no mesmo curso e velocidade que a plataforma manobrável, impedindo-a de manobrar direto para 61. Par alcançar 61, a plataforma manobrável deve fazer um desvio, p.ex., seguir a rota pontilhada para 60b, 60c e então para 61.

[00116] A plataforma 60 pode se descobrir repetidamente escolhendo opções que a fariam se mover na mesma velocidade e curso, aumentando assim efetivamente sua distância do ponto de referência alvo 61 ao invés de se aproximar dele.

[00117] Uma opção ótima de local é a opção que parece localmente ser o melhor curso de ação a tomar. Ainda, em cenários particulares, escolher a melhor opção a cada interação pode não levar a uma solução geral que permitirá o término com sucesso da tarefa, porque a distância entre a

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34/36 plataforma e o ponto de referência do alvo aumenta a cada interação.

[00118] Pode ser desejado, em tais casos, escolher uma opção que seja menos graduada que a opção graduada mais alta, para permitir o término da tarefa, também o algoritmo de seleção como foi descrito aqui acima é projetado para sempre selecionar a opção graduada mais alta. Isto está tipicamente associado com a existência de obstáculos em movimento, uma vez que quando somente objetos estacionários estão presentes, algoritmos de planejamento de rota tais como Fast Marching [Marcha rápida] se provaram a produzir uma solução globalmente ótima.

[00119] Um modo para lidar com este problema seria levar em conta mais etapas futuras, mas isto levaria a um aumento acentuado no número de opções a considerar, possivelmente além do poder de cálculo do módulo de Decisão do sistema de navegação autônoma. Mais que isso, os obstáculos em movimento podem mudar seu curso e velocidade, fazendo a solução calculada anteriormente se tornar obsoleta.

[00120] Para garantir que a plataforma manobrável com um sistema de navegação autônoma, de acordo com configurações da presente invenção, realize sua tarefa, é sugerido rastrear seu comportamento ao longo do tempo para determinar se para um dado período de tempo a plataforma escolhe opções que aumentam sua distância do alvo. Se assim for, então uma perturbação no espaço solução (o conjunto de opções disponíveis) é executada durante umas poucas interações, forçando o sistema de navegação autônoma a escolher uma opção que não seja a opção local ótima. É assumido que após um tempo as posições relativas da plataforma e do obstáculo em

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35/36 movimento provavelmente não mudarão mais impedindo a plataforma de retornar a opções selecionadas que eventualmente a levariam a seu alvo.

[00121] Alternativamente, ao detectar uma situação de opções ótimas locais que impeçam a plataforma de realizar sua tarefa, a tarefa pode ser replanejada, por exemplo empregando um algoritmo de planejamento de trajetória, tal como por exemplo, a marcha rápida, Dijkstra, A*, enquanto considerando o obstáculo em movimento ser um grande obstáculo estacionário se esticando na direção de aproximação do obstáculo.

[00122] Na maioria dos casos, o algoritmo de seleção de opção como descrito aqui acima pode levar a uma solução subótima sem impedir o término da missão, uma vez que tipicamente o obstáculo em movimento seria ultrapassado após um curto espaço de tempo, permitindo a plataforma manobrável planejar uma nova rota mais curta até o alvo (222 e 208 na figura 1).

[00123] Portanto, de acordo com configurações da presente invenção um sistema de navegação autônoma para uma plataforma autônoma é provido o qual utiliza um algoritmo que é robusto, pode ser acomodado para um grande número de tipos e situações de plataformas, efetivamente lida com situações onde um grande número de obstáculos e outras plataformas estão presentes, e efetivamente lida com situações governadas por um grande número de regras, algumas das quais são mal definidas e contraditórias.

[00124] Deve ficar claro que a descrição das configurações e figuras anexas registrada nesta especificação serve somente para uma melhor compreensão da invenção, sem limitar seu escopo.

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36/36 [00125] Também deve ficar claro que uma pessoa experiente na arte, após ler a presente especificação poderia fazer ajustes ou revisões às figuras anexas e configurações descritas acima que ainda estariam cobertas pela presente invenção.

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Claims (14)

REIVINDICAÇÕES

1. Método automatizado para a navegação autônoma de uma plataforma manobrável, o método que compreende:

- proporcionar um sistema de navegação autônoma (21) que inclua:

- um módulo de conscientização da situação (16) para receber dados de um ou mais sensores sobre um ou mais parâmetros de identificação selecionados a partir do grupo de parâmetros de identificação que inclui posição, curso e velocidade, relacionados à plataforma (20) e obstáculos na vizinhança da plataforma;

- um módulo de decisão (18) para escolher curso e velocidade para a plataforma com base no citado um ou mais parâmetros de identificação dos obstáculos na vizinhança da plataforma e nos dados da posição da plataforma (20);

- prover o módulo de decisão (18) com informações sobre uma missão que inclua pelo menos uma tarefa atribuída à plataforma (20); e caracterizado por:

- obter periodicamente os dados e escolher uma opção preferida usando o módulo de decisão (18), baseado nos parâmetros de identificação, atribuindo, para cada opção a partir de um conjunto de opções, cada opção definindo uma combinação distinta de curso e velocidade, um grau que é indicativo da desejabilidade daquela opção com relação a cada um dos obstáculos e com relação a cada um de uma pluralidade de objetivos, para cada opção somando os graus atribuídos àquela opção com relação a todos os obstáculos, sendo que a opção preferida é a opção cujos graus somados é indicativo da maior desejabilidade dessa opção.

2/4 a plataforma (20) e comandar controles de acionamento da plataforma (24) para aplicar o curso e velocidade da opção preferida para a plataforma (20).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente prover um módulo de controle de plataforma (14) para manobrar

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3/4

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de planejar um plano de missão para a missão.

4/4 de reação antecipada e uma distância de escape adequada para aquele obstáculo e a plataforma, se aquela distância é menor ou maior do que a distância de escape.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a etapa de escolher uma opção preferida incluir determinar se a citada pelo menos uma tarefa não pode ser realizada de acordo com o plano antes de escolher a opção preferida.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a etapa de determinar se a citada pelo menos uma tarefa não pode ser realizada de acordo com o plano incluir, para cada obstáculo, calcular posições projetadas da plataforma e daquele obstáculo para determinar a distância entre a plataforma e o obstáculo no ponto de aproximação mais próximo e tempo estimado para chegar ao ponto de aproximação mais próximo, e determinar, com relação a um tempo de reação antecipada e uma distância de escape adequada para aquele obstáculo e a plataforma (20), se aquela distância é menor ou maior que a distância de escape.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a etapa de atribuir um peso a cada um dos objetivos indicativos de importância atribuída àquele objetivo, e na etapa de escolha da opção preferida, levar em conta os pesos atribuídos aos objetivos.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os objetivos serem selecionados a partir de um grupo de objetivos incluindo: se conformar às regras de tráfego, evitar colisões com outros obstáculos, manter uma velocidade dentro de uma faixa pré-definida, evitar substanciais mudanças de velocidade, evitar mudanças substanciais do curso, fazer uma mudança de curso notável, executar a tarefa de acordo com o plano e completar a tarefa.

Petição 870190031385, de 01/04/2019, pág. 35/37

8. Sistema de navegação autónoma (21) para manobrar uma plataforma manobrável (20), em que o sistema compreende:

- um módulo de conscientização da situação (16) para receber dados a partir de um ou mais sensores (22, 26) sobre um ou mais parâmetros de identificação selecionados a partir do grupo de parâmetros de identificação que inclui posição, curso e velocidade, relacionados com a plataforma e obstáculos na vizinhança da plataforma (20); e

- um módulo de decisão (18) para escolher curso e velocidade para a plataforma (20) baseado no citado um ou mais parâmetros de identificação dos obstáculos na vizinhança da plataforma e os dados sobre a posição da plataforma, caracterizado por o módulo de decisão (18) ser adaptado para obter periodicamente os dados e determinar uma opção preferida, baseado nos parâmetros de identificação, atribuindo, para cada opção a partir de um conjunto de opções, cada opção definindo uma combinação distinta de curso e velocidade, um grau que seja indicativo da desejabilidade daquela opção com relação a cada um dos obstáculos e com relação a cada um de uma pluralidade de objetivos, para cada opção somando os graus atribuídos àquela opção com relação a todos os obstáculos, sendo que a opção preferida é a opção cujos graus somados são indicativos da maior desejabilidade daquela opção.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8 caracterizado por compreender adicionalmente um módulo de controle da plataforma (14) para manobrar a plataforma comandando controles de acionamento (24) da plataforma para aplicar o curso e a velocidade da opção preferida para a plataforma.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o módulo de decisão (18) ser projetado para calcular projeções projetadas da plataforma e daquele obstáculo para determinar a distância entre a plataforma (20) e o obstáculo no ponto de aproximação mais próximo e tempo estimado de chegada ao ponto de aproximação mais próximo, e determinar, com relação a um tempo

Petição 870190031385, de 01/04/2019, pág. 36/37

11. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o módulo de decisão (18) ser adaptado para levar em conta um peso atribuído a cada um dos objetivos indicativos de importância atribuída àquele objetivo, quando escolhendo a opção preferida.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os sensores de ambiente (26) serem selecionados de um grupo de sensores que incluem: radar, sistema externo de comando e controle, sistema de identificação eletro-óptico de carga útil e automático (AIS).

13. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os sensores da navegação (22) serem selecionados a partir de um grupo de sensores que incluem: receptor de sistema de posicionamento global (GPS), unidade de medição inercial (IMU), giro, acelerômetros, sensores 6DoF, bússola e indicador da velocidade.

14. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por ser provido adicionalmente com meios (15) para fornecer informações sobre a opção escolhida a um operador humano.