Како роботи постају-самодовољнији, они морају да се крећу у околини са већом независношћу и поузданошћу. Аутономни трактори, пољопривредни комбајни и машине за сејање морају пажљиво да се пробију кроз поља усева, док самовозна возила за доставу морају безбедно да прелазе улице да би поставила пакете на тачно место. У широком спектру апликација, аутономни мобилни роботи (АМР) захтевају високо прецизне изворе позиционирања да би безбедно и успешно завршили послове за које су дизајнирани.
Постизање такве прецизности захтева два скупа локацијских могућности. Један је разумети релативну позицију себе у односу на друге објекте. Ово даје критичан допринос за разумевање света око њега и, у најочигледнијем случају, избегавање препрека које су и непокретне и у покрету. Ово динамично маневрисање захтева обиман низ навигационих сензора као што су камере, радари, лидари и пратећи софтвер за обраду ових сигнала и давање праваца у стварном времену-АМР-у.
Други скуп могућности је да АМР разуме своју прецизну физичку локацију (или апсолутну локацију) у свету како би могао прецизно и више пута да се креће путањом која је програмирана у уређају. Очигледан случај употребе овде је пољопривреда високе прецизности, где различити АМР-ови морају да путују истом уском стазом током много месеци да би посадили, наводњавали и жетву усеве, при чему сваки пролаз захтева да АМР сваки пут упућује на исту тачку.
Ово захтева другачији скуп навигационих могућности, почевши од Глобалних навигационих сателитских система (ГНСС), које цео екосистем сензора и софтвера користи. Повећавајући ГНСС су могућности корекције као што су РТК и ССР које помажу да се постигне 100 пута већа прецизност од самог ГНСС-а за апликације отвореног-неба, и инерцијалне мерне јединице у комбинацији са софтвером за фузију сензора за навигацију тамо где ГНСС није доступан (мртво рачунање).
Пре него што заронимо у ове технологије, хајде да проведемо минут гледајући случајеве употребе где су потребне и релативне и апсолутне локације да би АМР обавио свој посао.
Роботске апликације које захтевају релативно и апсолутно позиционирање
АМР откривају шта људи узимају здраво за готово - урођену способност да се тачно лоцирају у свету и предузму прецизне радње на основу тих информација. Што су апликације за АМР разноврсније, више откривамо које врсте акција захтевају изузетну прецизност. Неки примери укључују:
Пољопривредна аутоматизација: У пољопривреди, АМР-ови постају све чешћи за задатке као што су садња, жетва и праћење усева. Ови роботи користе апсолутно позиционирање, обично преко ГПС-а, за навигацију по великим и често неравним пољима са прецизношћу. Ово осигурава да могу систематски покривати огромна подручја и враћати се на одређене локације по потреби. Међутим, када су у близини усева или унутар одређеног подручја, АМР се ослањају на релативно позиционирање за задатке који захтевају виши ниво тачности, као што је брање воћа које је можда порасло или променило положај од када га је АМР последњи пут посетио. Комбиновањем обе методе позиционирања, ови роботи могу ефикасно да раде у изазовним и променљивим окружењима типичним за пољопривредна поља.
Испорука -последње миље у градским поставкама: АМР трансформишу испоруку{0}}последње миље у урбаним срединама аутономним транспортом робе од дистрибутивних центара до крајњих одредишта. Ови роботи користе апсолутно позиционирање за навигацију градским улицама, уличицама и сложеним урбаним распоредима, обезбеђујући да прате оптимизоване руте, избегавајући саобраћај и придржавајући се распореда испоруке. Када стигну у близину локације испоруке, АМР-ови ће такође користити релативно позиционирање за маневрисање око променљивих или неочекиваних препрека, као што је возило које је двоструко паркирано на улици. Овај двоструки приступ омогућава АМР-има да се носе са замршеношћу урбаних пејзажа и врше прецизне испоруке директно до кућног прага купаца.
Аутоматизација градилишта: На градилиштима се користе АМР како би се осигурало да је пројекат изграђен према тачним спецификацијама које су одредили инжењери. Они такође помажу у задацима као што су транспорт материјала и мапирање или испитивање окружења. Ове локације често обухватају велике области са стално променљивим окружењем, захтевајући од АМР-а да користе апсолутно позиционирање за навигацију и одржавање оријентације унутар целокупне локације пројекта. Релативно позиционирање долази у игру када АМР обављају задатке који захтевају интеракцију са динамичким елементима, као што је избегавање друге опреме или чак особља на локацији. Комбинација оба система позиционирања омогућава АМР-има да ефикасно допринесу сложеној и динамичној природи грађевинских пројеката, повећавајући ефикасност и безбедност.
Аутономно одржавање путева: АМР се све више користе у пословима одржавања путева као што су преглед коловоза, заптивање пукотина и фарбање линија. Ови роботи користе апсолутно позиционирање да путују дуж деоница аутопута или путева, обезбеђујући да остану на курсу на великим удаљеностима и могу прецизно да схвате специфичне локације на којима је потребно одржавање. Приликом обављања ових задатака одржавања, они се пребацују на релативно позиционирање како би прецизно идентификовали и адресирали специфичне несавршености на путу, прецизно офарбали ознаке на тракама или се кретали око препрека. Ова двострука способност омогућава АМР-има да ефикасно управљају задацима одржавања путева док истовремено смањују потребу за људским радницима да раде у опасним окружењима поред пута, побољшавајући безбедност и продуктивност.
Мониторинг и очување животне средине: У спољашњим окружењима, АМР се често користе за праћење животне средине и напоре за очување као што су праћење дивљих животиња, откривање загађења и мапирање станишта. Ови роботи користе апсолутно позиционирање за навигацију огромним природним подручјима, од шума до приобалних региона, обезбеђујући свеобухватну покривеност терена и омогућавајући снимање детаљних истраживања локације и мапирања. АМР-и могу да обављају задатке као што су снимање слика високе{2}}резолуције, прикупљање узорака или праћење кретања животиња са изузетном прецизношћу и могу да прекрију ове узорке током времена на кохезиван начин.
У свим горе наведеним примерима потребна је апсолутна тачност позиционирања која је много мања од једног метра да би се избегле потенцијално катастрофалне последице. Повреде радника, значајни губици производа и скупа кашњења су вероватни без прецизне локације. У суштини, где год АМР треба да ради у кругу од неколико центиметара, захтеваће да има и релативна и апсолутна решења за локацију.
Технологија за релативно позиционирање
АМР користе бројне сензоре да би се лоцирали у односу на друге објекте у свом окружењу. То укључује:
камере: Камере функционишу као визуелни сензори аутономних мобилних робота, пружајући им непосредну слику њиховог окружења сличну начину на који раде људске очи. Ови уређаји бележе богате визуелне информације које роботи могу да користе за откривање објеката, избегавање препрека и мапирање окружења. Међутим, камере зависе од адекватног осветљења и могу их ометати неповољни временски услови попут магле, кише или мрака. Да би се решила ова ограничења, камере су често упарене са-инфрацрвеним сензорима или опремљене могућностима ноћног вида, што омогућава роботима да виде у условима слабог-светла. Камере су кључна компонента визуелне одометрије, процеса у коме се промене положаја током времена израчунавају анализом секвенцијалних слика камере. Генерално, камере увек захтевају значајну обраду да би своје 2-Д слике претвориле у 3-Д структуре.
Радарски сензори: Радарски сензори раде тако што емитују пулсирајуће радио таласе који се одбијају од објеката, пружајући информације о брзини, удаљености и релативном положају објекта. Ова технологија је робусна и може ефикасно да функционише у различитим условима околине, укључујући кишу, маглу и прашину, где би камере и лидар могли да се боре. Међутим, радарски сензори обично нуде ређе податке и нижу резолуцију у поређењу са другим типовима сензора. Упркос томе, они су од непроцењиве вредности због своје поузданости у детекцији брзине покретних објеката, што их чини посебно корисним у динамичким окружењима где је разумевање кретања других ентитета кључно.
Лидар сензори: Лидар, или детекција светлости и одређивање опсега, је технологија сензора која користи ласерске импулсе за мерење удаљености тако што ће одредити време рефлексије светлости од објеката. Скенирањем околине брзим ласерским импулсима, лидар ствара веома прецизне, детаљне 3Д мапе околине. Ово га чини основним алатом за истовремену локацију и мапирање (СЛАМ), где робот гради мапу непознатог окружења док прати своју локацију унутар те мапе. лидар је познат по својој прецизности и способности да добро функционише у различитим условима осветљења, иако може бити мање ефикасан на киши, снегу или магли, где капљице воде могу распршити ласерске зраке. Упркос томе што је скупа технологија, лидар је омиљен у аутономној навигацији због своје тачности и поузданости у сложеним окружењима.
Ултразвучни сензори: Ултразвучни сензори функционишу тако што емитују високо{0}}звучне таласе који се одбијају од оближњих објеката, при чему сензор мери време потребно да се ехо врати. Ово омогућава роботу да израчуна удаљеност до објеката и препрека на свом путу. Ови сензори су посебно корисни за детекцију кратког-домета и често се користе у спорим, блиским-активностима као што је навигација у уским просторима као што су пролази у складишту, или за прецизне маневре као што су пристајање или прављење резервних копија. Ултразвучни сензори су исплативи-и добро функционишу у разним условима, али њихов ограничен домет и спорије време одзива у поређењу са лидарима и камерама значе да су најпогоднији за специфична, контролисана окружења где је потребна висока прецизност у непосредној близини.
Основна технологија која се користи за апсолутно позиционирање почиње са ГНСС-ом (израз који укључује ГПС и друге сателитске системе као што су ГЛОНАСС, Галилео и БеиДоу). С обзиром да на ГНСС утичу атмосферски услови и сателитске недоследности, он може дати решење положаја које је удаљено за много метара. За АМР-ове који захтевају прецизнију навигацију, ово није довољно добро – стога је појава технологије познате као ГНСС корекције која ову грешку сужава на само један центиметар.
РТК: Кинематички-у реалном времену (РТК) користи мрежу базних станица са познатим позицијама као референтним тачкама за исправљање процена локације ГНСС пријемника. Све док се АМР налази на удаљености од 50 километара од базне станице и има поуздану комуникациону везу, РТК може поуздано да обезбеди тачност од 1–2 центиметра.
ССР или ППП{0}}РТК: Стате Спаце Репресентатион (ССР), који се понекад назива и ППП-РТК, користи информације из мреже базних станица, али уместо да шаље исправке директно са локалне базне станице, моделира грешке широм широког географског подручја. Резултат је шира покривеност која омогућава удаљености далеко преко 50 км од базне станице, али тачност пада на 3-10 центиметара или више у зависности од густине и квалитета мреже.
Иако ова два приступа функционишу изузетно добро тамо где су ГНСС сигнали доступни (генерално отворено небо), многи АМР-ови ће отпутовати са отвореног неба, где постоји препрека између ГНСС пријемника на АМР-у и неба. То се може десити у тунелима, паркинг гаражама, воћњацима и урбаним срединама. Овде ступају у игру инерцијални навигациони системи (ИНС) са својом јединицом за инерцијално мерење (ИМУ) и софтвером Сенсор Фусион.
ИМУ– ИМУ комбинује акцелерометре, жироскопе, а понекад и магнетометре за мерење линеарног убрзања система, угаоне брзине и јачине магнетног поља, респективно. Ово су кључни подаци који омогућавају ИНС-у да одреди позицију, брзину и оријентацију објекта у односу на почетну тачку у реалном-времену.
Историја ИМУ датира још од почетка 20. века, са својим коренима у развоју жироскопских уређаја који се користе у навигационим системима за бродове и авионе. Први практични ИМУ развијени су током Другог светског рата, првенствено за употребу у системима за навођење пројектила, а касније и у свемирском програму. Аполо мисије су се, на пример, у великој мери ослањале на ИМУ за навигацију у свемиру, где традиционалне методе навигације нису биле изводљиве. Током деценија, ИМУ технологија је значајно напредовала, вођена минијатуризацијом електронских компоненти и појавом технологије микро-електро-механичких система (МЕМС) крајем 20. века. Ова еволуција је довела до компактнијих, приступачнијих и прецизнијих ИМУ-а, омогућавајући њихову интеграцију у широк спектар потрошачке електронике, аутомобилских система и индустријских апликација данас.
Сенсор Фусион– Софтвер за фузију сензора је одговоран за комбиновање података из ИМУ-а, као и других сензора за стварање кохезивног и тачног разумевања апсолутне локације АМР-а када ГНСС није доступан. Најосновније имплементације „попуњују празнине“ у реалном-времену, између тренутка када ГНСС сигнал падне и када га АМР поново преузме. Прецизност софтвера за фузију сензора зависи од неколико фактора, укључујући квалитет и калибрацију укључених сензора, алгоритме који се користе за фузију и специфичну апликацију или окружење у којем се примењује. Софистициранији софтвер за фузију сензора је у стању да укрсти-корелира различите модалитете сензора, што резултира супериорном прецизношћу положаја него код било ког сензора у решењу који ради самостално.
РТК за ГНСС пружа веома прецизан извор апсолутне локације за аутономне роботе. Без РТК-а, међутим, многе роботске апликације једноставно нису могуће или практичне. Од грађевинских геодетских ровера до аутономних дронова за испоруку и аутономних пољопривредних алата, бројни АМР зависе од центиметар-тачног апсолутног позиционирања које само РТК може да обезбеди.
Ипак, РТК решење је добро онолико колико је добра мрежа иза њега. Конзистентно поуздане корекције захтевају веома густу мрежу базних станица тако да су пријемници увек у довољном домету за прецизне исправке грешака. Што је мрежа већа, лакше је добити исправке за АМР са било ког места. Сама густина није једини фактор. Мреже су веома компликовани-системи у реалном времену и захтевају професионално праћење, испитивање и проверу интегритета како би се осигурало да су подаци који се шаљу АМР-у тачни и поуздани.
Шта све ово значи за програмере аутономних робота? Барем када је реч о спољним апликацијама, ниједан АМР није потпун без РТК{0}}напајаног ГНСС пријемника. За најтачније могуће решење, програмери би требало да се ослоне на најгушћу и најпоузданију РТК мрежу. А где се роботи морају често кретати у идеалним окружењима ГНСС сигнала и ван њих, као што је возило за испоруку који се самостално вози, РТК у комбинацији са ИМУ-ом пружа најсвеобухватнији доступан извор апсолутног позиционирања.
Не постоје две исте аутономне роботске апликације, а свако јединствено подешавање захтева сопствену мешавину релативних и апсолутних информација о позиционирању. Међутим, за спољне АМР-ове сутрашњице, ГНСС са робусном мрежом РТК корекција је суштинска компонента стека сензора.