Kadangi robotai tampa savarankiškesni, jie turi savarankiškiau ir patikimiau naršyti aplinką. Autonominiai traktoriai, žemės ūkio kombainai ir sėjamosios turi atsargiai važiuoti per pasėlių laukus, o savaeigės transporto priemonės turi saugiai važiuoti gatvėmis, kad pakuotės būtų tinkamoje vietoje. Įvairiose programose autonominiams mobiliesiems robotams (AMR) reikalingi labai tikslūs padėties nustatymo šaltiniai, kad būtų galima saugiai ir sėkmingai atlikti darbus, kuriems jie skirti.
Norint pasiekti tokį tikslumą, reikia dviejų vietos nustatymo galimybių. Vienas iš jų yra suprasti savo santykinę padėtį kitų objektų atžvilgiu. Tai suteikia esminės informacijos, kad suprastumėte jį supantį pasaulį ir, akivaizdžiausiu atveju, išvengtumėte kliūčių, kurios yra nejudančios ir judančios. Norint atlikti šį dinamišką manevravimą, reikia daugybės navigacinių jutiklių, tokių kaip kameros, radaras, lidar ir pagalbinė programinė įranga, kad šie signalai būtų apdoroti ir AMR būtų rodomas realiuoju laiku.
Antrasis galimybių rinkinys yra skirtas AMR suprasti tikslią savo fizinę vietą (arba absoliučią vietą) pasaulyje, kad galėtų tiksliai ir pakartotinai naršyti įrenginyje užprogramuotą kelią. Akivaizdus naudojimo atvejis yra didelio tikslumo žemdirbystė, kai įvairūs AMR turi keliauti tuo pačiu siauru keliu per daugelį mėnesių, kad būtų galima sodinti, drėkinti ir nuimti derlių, o kiekvieną kartą AMR turi nurodyti tą pačią tikslią vietą. .
Tam reikia kitokių navigacijos galimybių, pradedant nuo pasaulinės palydovinės navigacijos sistemos (GNSS), kurią naudoja visa jutiklių ir programinės įrangos ekosistema. Papildantis GNSS yra taisymo galimybės, pvz., RTK ir SSR, padedančios pasiekti 100 kartų didesnį tikslumą nei vien GNSS atvirojo dangaus programoms, ir inerciniai matavimo vienetai kartu su jutiklių sintezės programine įranga, skirta navigacijai ten, kur GNSS nėra (negyvos skaičiavimas).
Prieš pasinerdami į šias technologijas, skirkime minutę apžvelgdami naudojimo atvejus, kai AMR atlikti savo darbą reikia tiek santykinės, tiek absoliučios vietos.
Robotikos programos, kurioms reikalingas santykinis ir absoliutus padėties nustatymas
AMR atskleidžia tai, ką žmonės laiko savaime suprantamu dalyku – įgimtą gebėjimą tiksliai nustatyti savo vietą pasaulyje ir pagal šią informaciją imtis konkrečių veiksmų. Kuo įvairesnės AMR programos, tuo daugiau sužinome, kokių tipų veiksmams reikia ypatingo tikslumo. Kai kurie pavyzdžiai:
Žemės ūkio automatika: Žemės ūkyje AMR vis dažniau pasitaiko atliekant tokias užduotis kaip sodinimas, derliaus nuėmimas ir pasėlių stebėjimas. Šie robotai naudoja absoliučią padėties nustatymą, paprastai per GPS, kad tiksliai naršytų didelius ir dažnai nelygius laukus. Tai užtikrina, kad jie gali sistemingai aprėpti didelius plotus ir prireikus grįžti į konkrečias vietas. Tačiau patekę į pasėlių ar tam tikroje vietovėje, AMR priklauso nuo santykinės padėties, kai atliekamos užduotys, kurioms reikalingas didesnis tikslumas, pvz., skinti vaisius, kurie galėjo augti arba pakeisti padėtį nuo tada, kai AMR paskutinį kartą apsilankė. Derindami abu padėties nustatymo būdus, šie robotai gali efektyviai veikti sudėtingose ir kintančiose žemės ūkio laukams būdingose aplinkose.
Paskutinės mylios pristatymas miesto nustatymuose: AMR keičia paskutinės mylios pristatymą miesto aplinkoje, savarankiškai gabendami prekes iš paskirstymo centrų į galutines paskirties vietas. Šie robotai naudoja absoliučią padėties nustatymą, kad galėtų naršyti miesto gatvėmis, alėjomis ir sudėtingais miesto išdėstymais, užtikrinant, kad jie sektų optimizuotus maršrutus, išvengiant eismo ir laikydamiesi pristatymo grafikų. Pasiekę pristatymo vietą, AMR taip pat naudos santykinę padėtį, kad galėtų manevruoti aplink kintamas arba netikėtas kliūtis, pvz., gatvėje dvigubai pastatytą transporto priemonę. Šis dvigubas požiūris leidžia AMR susidoroti su miesto kraštovaizdžio sudėtingumu ir tiksliai pristatyti prekes tiesiai į klientų slenksčius.
Statybos aikštelių automatizavimas: Statybvietėse AMR naudojami siekiant užtikrinti, kad projektas būtų pastatytas pagal tikslias inžinierių nurodytas specifikacijas. Jie taip pat padeda atlikti tokias užduotis kaip medžiagų transportavimas ir aplinkos žemėlapių sudarymas ar tyrinėjimas. Šios svetainės dažnai apima dideles sritis su nuolat besikeičiančia aplinka, todėl AMR turi naudoti absoliučią padėties nustatymą, kad galėtų naršyti ir išlaikyti orientaciją visoje projekto vietoje. Santykinis padėties nustatymas atsiranda, kai AMR atlieka užduotis, kurioms reikia sąveikos su dinaminiais elementais, pvz., vengia kitos įrangos ar net personalo svetainėje. Abiejų padėties nustatymo sistemų derinys leidžia AMR veiksmingai prisidėti prie sudėtingo ir dinamiško statybos projektų pobūdžio, didinant efektyvumą ir saugumą.
Autonominė kelių priežiūra: AMR vis dažniau naudojami kelių priežiūros darbams, pavyzdžiui, dangos tikrinimui, įtrūkimų sandarinimui ir linijų dažymui. Šie robotai naudoja absoliučią padėties nustatymą, kad galėtų keliauti greitkelių ar kelių ruožais, užtikrinant, kad jie išliktų kurso dideliais atstumais ir galėtų tiksliai užfiksuoti konkrečias vietas, kur reikia atlikti techninę priežiūrą. Atlikdami šias priežiūros užduotis, jie persijungia į santykinę padėties nustatymą, kad tiksliai nustatytų ir pašalintų konkrečius kelio trūkumus, tiksliai nudažytų juostų ženklinimą arba apvažiuotų kliūtis. Ši dviguba galimybė leidžia AMR efektyviai valdyti kelių priežiūros užduotis, tuo pačiu sumažinant žmonių poreikį dirbti pavojingoje pakelės aplinkoje, gerinant saugumą ir našumą.
Aplinkos stebėjimas ir išsaugojimas: Lauko aplinkoje AMR dažnai naudojami aplinkos stebėjimui ir išsaugojimui, pvz., laukinės gamtos stebėjimui, taršos aptikimui ir buveinių žemėlapiams sudaryti. Šie robotai išnaudoja absoliučią padėties nustatymą, kad galėtų naršyti po didžiulius gamtos plotus, nuo miškų iki pakrančių regionų, užtikrinant visapusišką reljefo aprėptį ir leidžiant užfiksuoti išsamius vietovės tyrimus ir žemėlapius. AMR gali atlikti tokias užduotis kaip didelės raiškos vaizdų fiksavimas, mėginių rinkimas arba gyvūnų judesių stebėjimas tiksliai ir laikui bėgant gali nuosekliai perdengti šiuos mėginius.
Visuose aukščiau pateiktuose pavyzdžiuose absoliutus padėties nustatymo tikslumas yra daug mažesnis nei metras, kad būtų išvengta galimų katastrofiškų pasekmių. Darbuotojų sužalojimai, dideli gaminio praradimai ir brangūs vėlavimai gali būti tikėtini nenustačius tikslios vietos. Iš esmės, visur, kur AMR turi veikti kelių centimetrų atstumu, reikės ir santykinių, ir absoliučių vietos sprendimų.
Santykinės padėties nustatymo technologija
AMR naudoja daugybę jutiklių, kad nustatytų savo vietą kitų aplinkos objektų atžvilgiu. Tai apima:
Fotoaparatai: Kameros veikia kaip autonominių mobiliųjų robotų vizualiniai jutikliai, suteikiantys jiems tiesioginį jų aplinkos vaizdą, panašų į tai, kaip veikia žmogaus akys. Šie įrenginiai fiksuoja turtingą vaizdinę informaciją, kurią robotai gali naudoti objektų aptikimui, kliūčių išvengimui ir aplinkos žemėlapiams sudaryti. Tačiau fotoaparatai priklauso nuo tinkamo apšvietimo ir gali trukdyti nepalankioms oro sąlygoms, pvz., rūkui, lietui ar tamsai. Siekiant pašalinti šiuos apribojimus, fotoaparatai dažnai suporuojami su infraraudonųjų spindulių jutikliais arba turi naktinio matymo galimybes, kurios leidžia robotams matyti prasto apšvietimo sąlygomis. Kameros yra pagrindinis vaizdinės odometrijos komponentas – procesas, kurio metu padėties pokyčiai laikui bėgant apskaičiuojami analizuojant nuoseklius fotoaparato vaizdus. Apskritai, fotoaparatams visada reikia daug apdoroti, kad jų 2-D vaizdai konvertuotų į 3-D struktūras.
Radaro jutikliai: Radaro jutikliai veikia skleisdami pulsuojančias radijo bangas, kurios atspindi objektus, teikdamos informaciją apie objekto greitį, atstumą ir santykinę padėtį. Ši technologija yra tvirta ir gali efektyviai veikti esant įvairioms aplinkos sąlygoms, įskaitant lietų, rūką ir dulkes, kur fotoaparatai ir „lidar“ gali susidurti su problemomis. Tačiau radaro jutikliai paprastai siūlo retesnius duomenis ir mažesnę skiriamąją gebą, palyginti su kitų tipų jutikliais. Nepaisant to, jie yra neįkainojami dėl savo patikimumo aptinkant judančių objektų greitį, todėl yra ypač naudingi dinamiškoje aplinkoje, kur labai svarbu suprasti kitų objektų judėjimą.
Lidar jutikliai: Lidar arba šviesos aptikimas ir diapazonas yra jutiklių technologija, kuri naudoja lazerio impulsus atstumui matuoti, nustatydama šviesos atspindį nuo objektų. Greitais lazerio impulsais nuskaitydamas aplinką, „lidar“ sukuria labai tikslius, detalius 3D aplinkos žemėlapius. Dėl to jis yra būtinas įrankis vienu metu nustatyti vietą ir žemėlapius (SLAM), kai robotas sukuria nežinomos aplinkos žemėlapį, stebėdamas savo vietą tame žemėlapyje. lidar yra žinomas dėl savo tikslumo ir gebėjimo gerai veikti įvairiomis apšvietimo sąlygomis, tačiau jis gali būti mažiau efektyvus lyjant, sningant ar rūkui, kur vandens lašeliai gali išsklaidyti lazerio spindulius. Nepaisant to, kad lidar yra brangi technologija, ji yra mėgstama autonominėje navigacijoje dėl savo tikslumo ir patikimumo sudėtingose aplinkose.
Ultragarsiniai jutikliai: Ultragarsiniai jutikliai veikia skleidžiant aukšto dažnio garso bangas, kurios atsimuša į netoliese esančius objektus, o jutiklis matuoja laiką, per kurį aidas sugrįžta. Tai leidžia robotui apskaičiuoti atstumą iki jo kelyje esančių objektų ir kliūčių. Šie jutikliai ypač naudingi aptinkant trumpą atstumą ir dažnai naudojami atliekant lėtą, artimą veiklą, pavyzdžiui, naršant ankštose erdvėse, pvz., sandėlių koridoriuose, arba atliekant tikslius manevrus, pvz., prijungiant prie doko ar važiuojant atgal. Ultragarsiniai jutikliai yra ekonomiški ir gerai veikia įvairiomis sąlygomis, tačiau jų ribotas diapazonas ir lėtesnis atsako laikas, palyginti su lidar ir fotoaparatais, reiškia, kad jie geriausiai tinka konkrečioms, kontroliuojamoms aplinkoms, kur reikalingas didelis tikslumas esant arti.
Bazinė technologija, naudojama absoliučiam padėties nustatymui, prasideda nuo GNSS (terminas, apimantis GPS ir kitas palydovines sistemas, tokias kaip GLONASS, Galileo ir BeiDou). Atsižvelgiant į tai, kad GNSS veikia atmosferos sąlygos ir palydoviniai neatitikimai, jis gali duoti daug metrų nutolusią padėties sprendimą. AMR, kuriems reikalinga tikslesnė navigacija, to nepakanka – taip atsirado technologija, žinoma kaip GNSS korekcijos, kuri sumažina šią klaidą iki vieno centimetro.
RTK: Realaus laiko kinematika (RTK) naudoja bazinių stočių tinklą su žinomomis vietomis kaip atskaitos taškus GNSS imtuvo vietos įvertinimams taisyti. Kol AMR yra 50 kilometrų atstumu nuo bazinės stoties ir turi patikimą ryšio ryšį, RTK gali patikimai užtikrinti 1–2-centimetro tikslumą.
SSR arba PPP-RTK: State Space Representation (SSR), kuris taip pat kartais vadinamas PPP-RTK, naudoja informaciją iš bazinės stoties tinklo, tačiau užuot siuntęs pataisymus tiesiai iš vietinės bazinės stoties, modeliuoja klaidas plačioje geografinėje srityje. Rezultatas – platesnė aprėptis, leidžianti nutolti daugiau nei 50 km nuo bazinės stoties, tačiau tikslumas sumažėja iki 3-10 centimetrų ar daugiau, atsižvelgiant į tinklo tankį ir kokybę.
Nors šie du metodai ypač gerai veikia ten, kur yra GNSS signalai (paprastai atviras dangus), daugelis AMR nukeliaus nuo atviro dangaus, kur yra kliūtis tarp AMR GNSS imtuvo ir dangaus. Tai gali atsitikti tuneliuose, automobilių stovėjimo aikštelėse, soduose ir miesto aplinkoje. Čia pradeda veikti inercinės navigacijos sistemos (INS) su jų inercinio matavimo vienetu (IMU) ir jutiklių sintezės programine įranga.
IMU– IMU sujungia akselerometrus, giroskopus ir kartais magnetometrus, kad išmatuotų atitinkamai sistemos linijinį pagreitį, kampinį greitį ir magnetinio lauko stiprumą. Tai yra labai svarbūs duomenys, leidžiantys INS nustatyti objekto padėtį, greitį ir orientaciją, palyginti su pradiniu tašku realiuoju laiku.
IMU istorija siekia XX amžiaus pradžią, jos šaknys – giroskopinių prietaisų, naudojamų laivų ir orlaivių navigacijos sistemose, kūrime. Pirmieji praktiniai IMU buvo sukurti per Antrąjį pasaulinį karą, pirmiausia skirti naudoti raketų nukreipimo sistemose, o vėliau ir kosminėje programoje. Pavyzdžiui, Apollo misijos buvo labai priklausomos nuo IMU navigacijai erdvėje, kur tradiciniai navigacijos metodai nebuvo įmanomi. Bėgant dešimtmečiams IMU technologija labai pažengė į priekį, o tai lėmė elektroninių komponentų miniatiūrizavimas ir mikroelektromechaninių sistemų (MEMS) technologijos atsiradimas XX amžiaus pabaigoje. Dėl šios evoliucijos atsirado kompaktiškesni, įperkamesni ir tikslesni IMU, leidžiantys šiandien juos integruoti į platų plataus vartojimo elektronikos, automobilių sistemų ir pramoninių pritaikymų spektrą.
Jutiklis sintezė– Jutiklių suliejimo programinė įranga yra atsakinga už duomenų iš IMU ir kitų jutiklių derinimą, kad būtų sukurtas darnus ir tikslus AMR absoliučios vietos supratimas, kai GNSS nėra. Paprasčiausias įgyvendinimas „užpildo spragas“ realiuoju laiku, nuo tada, kai GNSS signalas nukrenta, iki tada, kai AMR jį vėl paima. Jutiklių suliejimo programinės įrangos tikslumas priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant naudojamų jutiklių kokybę ir kalibravimą, sintezei naudojamus algoritmus ir konkrečią programą ar aplinką, kurioje ji naudojama. Sudėtingesnė jutiklių sujungimo programinė įranga gali kryžmiškai koreliuoti skirtingus jutiklių būdus, todėl padėties nustatymo tikslumas yra geresnis nei bet kurio iš tirpalo jutiklių, veikiančių atskirai.
RTK GNSS yra labai tikslus autonominių robotų absoliučios vietos nustatymo šaltinis. Tačiau be RTK daugelis robotikos programų tiesiog neįmanomos arba praktiškai neįmanomos. Daugybė AMR priklauso nuo centimetro tikslios absoliučios padėties nustatymo, kurį gali suteikti tik RTK, nuo statybinių žvalgybos mašinų iki autonominių dronų ir autonominių žemės ūkio įrankių.
Beje, RTK sprendimas yra tiek pat geras, kiek už jo esantis tinklas. Nuolat patikimoms pataisoms atlikti reikalingas labai tankus bazinių stočių tinklas, kad imtuvai visada būtų pakankamai arti, kad būtų galima tiksliai ištaisyti klaidas. Kuo didesnis tinklas, tuo lengviau gauti AMR pataisymus iš bet kurios vietos. Vien tankis nėra vienintelis veiksnys. Tinklai yra labai sudėtingos realaus laiko sistemos, todėl norint užtikrinti, kad AMR siunčiami duomenys būtų tikslūs ir patikimi, reikia profesionalaus stebėjimo, tyrimo ir vientisumo tikrinimo.
Ką visa tai reiškia autonominių robotų kūrėjams? Bent jau lauko sąlygomis AMR neapsieina be RTK maitinamo GNSS imtuvo. Siekdami kuo tikslesnio sprendimo, kūrėjai turėtų pasikliauti tankiausiu ir patikimiausiu RTK tinklu. Ir ten, kur robotai turi dažnai judėti į idealias GNSS signalų aplinkas ir iš jos, pvz., savarankiškai važiuojančiose transporto priemonėse, RTK kartu su IMU yra išsamiausias absoliutaus padėties nustatymo šaltinis.
Nėra dviejų vienodų autonominių robotikos programų, o kiekvienai unikaliai sąrankai reikalingas atskiras santykinės ir absoliučios padėties nustatymo informacijos derinys. Tačiau rytojaus lauko AMR atveju GNSS su tvirtu RTK pataisų tinklu yra esminė jutiklių rinkinio dalis.