Technologie nawigacji stosowane w mobilnych robotach przemysłowych.
Systemy nawigacyjne i lokalizacyjne w robotyce – część 1/2.
W poniższym artykule opisano podstawowe systemy nawigacyjne i lokalizacyjne w robotyce, wykorzystywanych w szeroko rozumianym przemyśle. Często to właśnie ze względu na typ używanej nawigacji nadaje się typ i nazwę pojazdu, tak jak: AGV, AMR, SGV itd. Zanim jednak przejdziemy dalej warto odróżnić pojęcia „lokalizacji” oraz „nawigacji”. Lokalizacja, to wiedza robota o tym, gdzie on sam znajduje się w przestrzeni. Bez tej wiedzy niemożliwe jest nawigowanie czyli wyznaczanie trasy przejazdu, aby dotrzeć do wyznaczonego punktu.
Czy istnieje idealny system nawigacji? To pytanie jest dość trudne i ściśle wiąże się obsługiwanym procesem oraz charakterem pracy zakładu. Aby pomóc w wyborze pokażemy zalety oraz wady popularnych rodzajów nawigacji w robotach mobilnych, które mają zastosowanie w przemyśle m.in. w branży automotive oraz AGD.
Najbardziej popularne typy nawigacji można podzielić na:
- nawigowanie po ścieżce
- po punktach
- na podstawie skanowania przestrzeni
Nawigowanie po ścieżce.
Wymaga wykorzystania linii nawigacyjnej, po której porusza się pojazd. Takie pojazdy określa się jako „line follower” i kojarzą się z typem AGV (automated guided vehicle), ponieważ roboty są prostszymi automatami w porównaniu do bardziej zaawansowanych technologii. Do jazdy po linii robot wykorzystuje czujniki (np. magnetyczne lub wizyjne) mówiące o jego pozycji względem wyklejonej czy namalowanej na podłodze linii. W takim przypadku często wykorzystuje się także dodatkowe markery, które pozwalają robotowi lokalizować się przestrzennie – mogą być to tagi RFiD czy też kody QR. W ramach tego typu nawigacji stosuje się taśmy magnetyczne, druty indukcyjne oraz linie optyczne.
Taśma magnetyczna.
Nawigacja po ścieżce magnetycznej polega na sterowaniu robotem na podstawie odczytów sensora linii magnetycznej. Nowoczesne czujniki linii magnetycznej pozwalają na wykrywanie markerów i skrzyżowań, analizując biegunowość wyklejonej taśmy – wystarczy z jednego lub drugiego boku linii wykleić fragment linii z odwróconymi w stosunku do linii głównej biegunami. Czujniki potrafią także wykrywać skrzyżowania. Poprawny algorytm jest w stanie określić pozycję pojazdu oraz podjąć zadanie przy konkretnym wykryciu markera lub crossingu. Wadą tego typu nawigacji jest wrażliwość na pole magnetyczne. Podczas jednego z wdrożeń natknęliśmy się na zakłócenia, gdzie czujniki co jakiś czas w specyficznych punktach fabryki odczytywały markery lub crossingi, których nie było. Związane jest to z przewodami dużej mocy w podłodze oraz potężnymi zasilaczami linii produkcyjnej w szafach elektrycznych. Z drugiej strony, taśma magnetyczna pozwala na dużą precyzję pozycjonowania względem osi ruchu robota, co przekłada się na podniesienie średniej prędkości poruszania się.
Drut indukcyjny.
Bardzo blisko metody nawigacji po linii magnetycznej jest nawigacja po linii indukcyjnej. Linia indukcyjna to zatopiony w posadzce drut zasilany prądem elektrycznym. Przewód przez który płynie prąd elektryczny indukuje pole magnetyczne, które jest wykrywane przez sensor magnetyczny umieszczony w pojeździe. W związku z tym, że można modulować pole magnetyczne w pętli indukcyjnej, możliwe jest przekazywanie określonych poleceń do robotów. Dodatkową funkcją, używaną przez jednego z producentów, jest ciągłe zasilanie pojazdu przez ładowarkę indukcyjną.
Linia refleksyjna lub optyczna.
Kolejnym typem jazdy po linii jest oparcie się o linie wyklejone na posadzce lub wymalowane farbą. W przypadku linii refleksyjnej bazujemy na zjawisku odbicia światła. Pojazd ma zamontowany czujnik refleksyjny, który jednocześnie nadaje światło i odbiera światło odbite. Podstawa analizy stopnia odbicia światła wyznacza pozycję pojazdu względem linii.
W przypadku linii optycznej bazującej na kontraście kolorów pomiędzy linią główną a otoczeniem często stosuje się kamery jako czujnik linii. Kamera to uproszczony system wizyjny, który również informuje pojazd o pozycji względem głównej ścieżki.
Aby pojazd mógł wykonać akcję w obu przypadkach stosuję się markery lub skrzyżowania wobec których algorytm sterowania podejmuje decyzję o dalszych krokach. Należy jednak zauważyć, ze system wizyjny w postaci kamery może nam dostarczyć dodatkowe informacje, takie jak kierunek jazdy. Linia nawigacyjna naklejana jest na całej długości, wyposażona w małe kody QR, których kamera lokalizuje pojazd w przestrzeni oraz daje możliwość zaplanowania akcji na konkretnym kodzie QR.
Nawigowanie po punktach.
Systemy nawigacyjne w robotyce oparte o konkretne punkty w przestrzeni fabryki czy magazynu polegają na umieszczeniu znaczników odczytywanych przez pojazdy. Do określenia pozycji pomiędzy czujnikami wykorzystuje się odometrię -pomiar odległości w oparciu o czujniki. Algorytm liczy, ile trzeba wykonać zakrętów oraz jazdy po drodze prostej aby dotrzeć do danego punktu np.: jedź prosto 20m, skręć w lewo o 90 stopni, jedź prosto 3 metry, zatrzymaj się. Fakt niedoskonałości urządzeń, robotów, sensorów, hali produkcyjnej błąd pozycjonowania rośnie wraz z długością algorytmu, zatem trzeba korygować pozycję przy pomocy znaczników punktowych. Jeśli takim punktem orientacyjnym lub korekcyjnym jest tag magnetyczny lub tag RFiD, to nie mamy informacji o kącie pojazdu względem tagu, co może spowodować wyjechanie robota z trasy. Z tego to powodu często łączy się punkty orientacyjne z linią nawigacyjną. Innym rozwiązaniem są kody QR. Kamera, która odczytuje kod QR może zwrócić korektę kątową pojazdu. Im więcej takich znaczników tym większa jest dokładność pozycjonowania.
Nawigacja beztaśmowa.
Nawigację beztaśmową często nazywa się nawigacją naturalną lub free navigation. Sens tego typu nawigacji opiera się na ciągłym skanowaniu przestrzeni, dzięki czemu pojazd w czasie rzeczywistym buduje fragment terenu, w którym się aktualnie znajduje i lokalizuje go na ogólnej mapie zakładu zapisaną w konfiguracji robota. Oczywistym problemem jest zmiana infrastruktury w czasie pracy, przemieszczanie urządzeń i ruchomych elementów, ponieważ kształt i rozmieszczenie przeszkód nie pokrywa się z wgraną mapą. Idea nawigacji polega na poruszaniu się robotów po wirtualnej ścieżce wytyczonej przez układ sterowania oraz omijaniu przeszkód, które pojawiły się na trasie. Swoboda pojazdów w poruszaniu się po całym zakładzie ma istotną zaletę, polegającą na możliwości zmiany trasy w razie jej zablokowania.
W zależności od użytych sensorów, wyróżniamy kilka typów nawigacji beztaśmowej.
Nawigacja laserowa z reflektorami.
Pojazd LGV (laser guided vehicle) lub pojazd sterowany laserowo to pojazd AGV, który nawiguje za pomocą laserowego systemu pozycjonowania. Każdy pojazd sterowany laserowo posiada laser nawigacyjny (nazywany po prostu urządzeniem nawigacyjnym) umieszczony na szczycie słupa, który oddziałuje z celami umieszczonymi w obszarze roboczym AGV.
Roboty mobilne o których mowa, mają skaner laserowy, który odczytuje sygnały na podstawie odbłyśnika czy odblasków na hali zakładowej. Są one punktami orientacyjnymi dla pojazdu i na ich podstawie pojazd jest w stanie zorientować się na zapisanej w konfiguracji mapie. Odbłyśniki przesyłają sygnał wiązki laserowej z powrotem do urządzenia do nawigacji laserowej AGV. LGV muszą uzyskać co najmniej trzy z tych sprzężeń zwrotnych z tablicy, aby umożliwić obliczenia położenia dzięki bardzo złożonym algorytmom. W zależności od producenta AGV, LGV obliczają i korygują swoje położenie od 30 do 40 razy na sekundę. Te urządzenia są niezwykle dokładne, ale wymagają utrzymywania wysokiej czystości soczewek skanera.
Nawigacja naturalna (mapowanie przestrzeni).
Pojazdy AGV wyposażone w nawigację naturalną często określa się jako AMR czyli autonomus mobile robots. Nawigacja, która wykorzystuje mapowanie przestrzeni określa się jako SLAM (simultaneous localization and mapping). Oznacza to, że pojazd AGV z nawigacją SLAM jest w stanie mapować swoje środowisko i lokalizować, gdzie się znajduje, dzięki informacjom otrzymywanym z otaczającego środowiska.
Pojazdy AGV są w stanie mapować otoczenie za pomocą różnych czujników, takich jak kamery wizyjne, kamery 3D, czujniki laserowe (lidar), czujniki ultradźwiękowe lub nawet tymi samymi laserami używanymi do celów bezpieczeństwa. Czujniki w czasie rzeczywistym odczytują odległość pojazdu od obiektów wokół pojazdu i wszystkie te informacje są zbierane i połączone wewnętrzną inercyjną jednostką pomiarowa (IMU) w celu zdefiniowania i ponownego obliczenia rzeczywistej pozycji AGV.
Podczas pierwszego, kontrolowanego ręcznie przejazdu pojazd AGV mapuje otaczające środowisko i tym samym tworzy mapę odniesienia, która będzie później używana do nawigacji. Możliwe jest również załadowanie mapy obiektu w postaci wektorowej do systemu zarządzania AGV. Oba zestawy danych, mapa wektorowa oraz rzeczywiste odwzorowane środowisko są dopasowywane w celu określenia początkowych współrzędnych (0,0). Na podstawie połączonych zestawów danych pojazd automatycznie przejedzie wytrenowaną trasę i sprawdzi, czy to, co „widzi”, jest tym samym, co zostało załadowane do jego „mózgu”, umożliwiając określenie jego pozycji. Wszystkie dane, które uzyskuje pojazd są łączone z innymi danymi pochodzącymi z odometrii i enkoderów w celu poprawy dokładności.
Głównym problemem związanym z technologią Natural/SLAM jest jej niezawodność w zmiennych środowiskach, takich jak linie produkcyjne, w których stale przemieszczają się ludzie, przedmioty, pudła, palety itp. W takich warunkach pojazd AGV może nie być w stanie określić, gdzie się znajduje. SLAM to dobre rozwiązanie dla pojazdów AGV, w których jest dobrze zdefiniowany profil i środowiska ze stałymi konstrukcjami jak ściany i kolumny.
LPS.
Lokalny system pozycjonowania (LPS) to system nawigacji, który dostarcza informacji o lokalizacji w każdych warunkach pogodowych. W miejscu zasięgu sieci, gdzie jest wolna linia wzroku do trzech lub więcej sygnalizacyjnych radiolatarni, których dokładne położenie na ziemi jest znane. Szczególnym rodzajem LPS jest system lokalizacji w czasie rzeczywistym ; który umożliwia również śledzenie w czasie rzeczywistym obiektu lub osoby w ograniczonej przestrzeni, takich jak budynek.
W kolejnym artykule podsumujemy wady i zalety różnych systemów nawigacji i lokalizacji w robotyce.
