Sprawne manewrowanie autonomicznych robotów mobilnych (AMR) po halach produkcyjnych dzięki zastosowaniu fuzji czujników

W obliczu rosnącej liczby osób i autonomicznych robotów mobilnych (AMR), zwanych również mobilnymi robotami przemysłowymi (IMR), w tym samym obszarze, należy zająć się wieloma nieodłącznymi zagrożeniami bezpieczeństwa. Bezpieczne i sprawne działanie autonomicznych robotów mobilnych (AMR) jest zbyt ważne, aby polegać na pojedynczym czujniku.

Fuzja wieloczujnikowa lub po prostu „fuzja czujników” łączy technologie, takie jak LIDAR, kamery, czujniki ultradźwiękowe, laserowe czujniki przeszkód oraz identyfikacja radiowa (RFID) w celu obsługi szeregu funkcji autonomicznych robotów mobilnych (AMR), takich jak nawigacja, planowanie toru, zapobieganie kolizjom, zarządzanie zapasami i wsparcie logistyczne. Fuzja czujników odpowiada również za ostrzeganie osób znajdujących się w pobliżu o obecności autonomicznego robota mobilnego (AMR).

Aby sprostać zapotrzebowaniu na bezpieczną i sprawną pracę autonomicznych robotów mobilnych (AMR), Amerykański Instytut Norm Krajowych (American National Standards Institute, ANSI) oraz Stowarzyszenie na Rzecz Zaawansowanej Automatyki (Association for Advanced Automation, A3), zwane wcześniej Stowarzyszeniem Przemysłu Robotycznego (Robotic Industries Association, RIA), opracowują serię norm ANSI/A3 R15.08. Wydane normy R15.08-1 i R15.08-2 skupiają się na podstawowych wymogach bezpieczeństwa i integracji autonomicznych robotów mobilnych (AMR) w obiektach. Norma R15.08-3 jest obecnie opracowywana i rozszerza wymagania bezpieczeństwa stawiane autonomicznym robotom mobilnym (AMR), w tym zawiera bardziej szczegółowe zalecenia dotyczące stosowania fuzji czujników.

W oczekiwaniu na normę R15.08-3, w niniejszym artykule omówiono niektóre z najlepszych praktyk związanych z bezpieczeństwem i fuzją czujników w autonomicznych robotach mobilnych (AMR), zaczynając od krótkiego przeglądu wymagań dotyczących bezpieczeństwa funkcjonalnego, obecnie obowiązujących w odniesieniu do autonomicznych robotów mobilnych (AMR), w tym ogólnych norm bezpieczeństwa przemysłowego, takich jak IEC 61508, ISO 13849 i IEC 62061 oraz wymagań bezpieczeństwa dotyczących wykrywania obecności ludzi, takich jak IEC 61496 i IEC 62998. Następnie przedstawiono typowy projekt autonomicznego robota mobilnego (AMR) z wyszczególnieniem licznych technologii czujników, reprezentatywne urządzenia oraz sposób, w jaki wspomniane roboty obsługują takie funkcje, jak nawigacja, planowanie trasy, lokalizacja, unikanie kolizji oraz zarządzanie zapasami i wsparcie logistyczne.

Dobre, lepsze, najlepsze

Projektanci autonomicznych robotów mobilnych (AMR) muszą wziąć pod uwagę szereg norm bezpieczeństwa, począwszy od norm bezpieczeństwa funkcjonalnego ogólnego przeznaczenia, takich jak IEC 61508, ISO 13849 i IEC 62061. Istnieją również bardziej szczegółowe normy bezpieczeństwa związane z wykrywaniem obecności ludzi, takie jak IEC 61496, IEC 62998 oraz seria norm ANSI/A3 R15.08.

Norma IEC 61496 zawiera wytyczne dotyczące kilku typów czujników. Odnosi się do normy IEC 62061, która określa wymagania i zawiera zalecenia dotyczące projektowania, integracji i walidacji elektroczułych urządzeń ochronnych (ESPE) do maszyn, w tym poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL), oraz do normy ISO 13849, która obejmuje bezpieczeństwo maszyn i związane z bezpieczeństwem elementy układów sterowania, w tym poziomy parametrów działania (PL) (tabela 1).

Tabela 1: wymagania bezpieczeństwa dla elektroczułych urządzeń ochronnych (ESPE) według typu określonego w normie IEC 61496. (Źródło tabeli: Analog Devices)

Nowsza norma IEC 62998 często może być lepszym wyborem, ponieważ zawiera wskazówki dotyczące wdrażania fuzji czujników, wykorzystywania sztucznej inteligencji (AI) w systemach bezpieczeństwa oraz korzystania z czujników zamontowanych na ruchomych platformach, które nie zostały uwzględnione w normie IEC 61496.

Wydanie części 3 normy R15.08 może sprawić, że seria R15.08 będzie najlepsza, ponieważ zwiększy wymagania bezpieczeństwa dla użytkowników systemów z autonomicznymi robotami mobilnymi (AMR). Opisywane przez nią obszary mogą obejmować fuzję czujników oraz bardziej kompleksowe próby stabilności oraz walidację autonomicznych robotów mobilnych (AMR).

Funkcje fuzji czujników

Istotnym aspektem uruchomienia autonomicznego robota mobilnego (AMR) jest zmapowanie obiektu. Ale to nie jest jednorazowa czynność. Jest to również część trwającego procesu zwanego jednoczesną lokalizacją i mapowaniem (SLAM), czasami nazywanego zsynchronizowaną lokalizacją i mapowaniem. Jest to proces ciągłej aktualizacji mapy obszaru pod kątem wszelkich zmian, przy jednoczesnym śledzeniu lokalizacji robota.

Fuzja czujników jest potrzebna, aby zapewnić obsługę funkcji jednoczesnych lokalizacji i mapowania (SLAM) i umożliwić bezpieczną pracę autonomicznych robotów mobilnych (AMR). Nie wszystkie czujniki działają równie dobrze w każdych warunkach pracy, a różne technologie generują różne typy danych. Sztuczną inteligencję (AI) można wykorzystać w systemach fuzji czujników do zestawiania informacji o lokalnym środowisku pracy (czy jest zamglone, czy zadymione, wilgotne, jak jasne jest światło z otoczenia itp.). Umożliwia ona również uzyskanie lepszych wyników dzięki integracji sygnałów wyjściowych czujników różnych technologii.

Elementy czujnikowe można kategoryzować zarówno według funkcji, jak i technologii. Przykłady funkcji fuzji czujników w systemach z autonomicznymi robotami mobilnymi (AMR) (ilustracja 1):

• Czujniki odległości, takie jak enkodery na kołach oraz inercyjne urządzenia pomiarowe wykorzystujące żyroskopy i przyspieszeniomierze, pomagają mierzyć ruch i określać zakres między pozycjami referencyjnymi.
• Czujniki obrazu, takie jak kamery trójwymiarowe (3D) i systemy LiDAR 3D służą do identyfikacji i śledzenia pobliskich obiektów.
• Łącza komunikacyjne, procesory obliczeniowe i czujniki logistyczne, takie jak skanery kodów kreskowych i urządzenia do identyfikacji radiowej (RFID), łączą autonomicznego robota mobilnego (AMR) z systemami zarządzania w całym obiekcie i integrują informacje z czujników zewnętrznych z systemem fuzji czujników autonomicznego robota mobilnego (AMR) w celu poprawy parametrów działania.
• Czujniki zbliżeniowe, takie jak skanery laserowe i dwuwymiarowe (2D) systemy LiDAR wykrywają i śledzą obiekty w pobliżu autonomicznego robota mobilnego (AMR), włączając w to ruchy ludzi.

Ilustracja 1: przykłady popularnych typów czujników oraz powiązanych elementów systemu stosowanych w projektach fuzji czujników autonomicznych robotów mobilnych (AMR). (Źródło ilustracji: Qualcomm)

Czujniki LiDAR 2D, LiDAR 3D oraz ultradźwiękowe

Czujniki LiDAR 2D i 3D oraz ultradźwiękowe to popularne technologie czujników obsługujące funkcję jednoczesnych lokalizacji i mapowania (SLAM) i zapewniające bezpieczeństwo w autonomicznych robotach mobilnych (AMR). Różnice między tymi technologiami pozwalają jednemu czujnikowi skompensować słabości pozostałych w celu poprawy parametrów działania i niezawodności.

Technologia LiDAR 2D wykorzystuje pojedynczą płaszczyznę oświetlaną laserem do identyfikacji obiektów na podstawie współrzędnych X i Y. Technologia LiDAR 3D wykorzystuje wiele wiązek laserowych do stworzenia bardzo szczegółowego trójwymiarowego odwzorowania otoczenia, zwanego chmurą punktów. Obydwa typy technologii LiDAR są stosunkowo odporne na światło z otoczenia, ale wymagają, aby wykrywane obiekty miały minimalny próg współczynnika odbicia dla długości fali emitowanej przez laser. Ogólnie rzecz biorąc, technologia LiDAR 3D pozwala na wykrywanie obiektów o niskim współczynniku odbicia z większą niezawodnością niż technologia LiDAR 2D.

Czujnik LiDAR 3D HPS-3D160 firmy Seeed Technology łączy w sobie wysokiej mocy emitery podczerwieni 850nm lasera o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL) oraz komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu (CMOS) o wysokiej fotoczułości. Wbudowany wysokowydajny procesor zawiera algorytmy filtrowania i kompensacji oraz może obsługiwać wiele jednoczesnych operacji LiDAR. Urządzenie ma zasięg do 12m oraz dokładność do jednego centymetra.

Gdy potrzebne jest rozwiązanie LiDAR 2D, projektanci mogą sięgnąć po urządzenie TIM781S-2174104 firmy SICK. Posiada ono kąt apertury 270 stopni, rozdzielczość kątową 0,33 stopnia i częstotliwość skanowania 15Hz. Jego bezpieczny zasięg roboczy wynosi 5m (ilustracja 2).

Ilustracja 2: czujnik LiDAR 2D o kącie apertury 270 stopni. (Źródło ilustracji: SICK)

Czujniki ultradźwiękowe mogą dokładnie wykrywać obiekty przepuszczalne dla promieniowania, takie jak szkło i materiały pochłaniające światło, które nie zawsze są widoczne dla technologii LiDAR. Czujniki ultradźwiękowe są również mniej podatne na zakłócenia spowodowane wysokim poziomem pyłu, dymu, wilgotności i innych warunków, które mogą zakłócać działanie technologii LiDAR. Jednak czujniki ultradźwiękowe są wrażliwe na zakłócenia pochodzące z otoczenia, a ich zasięgi wykrywania mogą być bardziej ograniczone niż w przypadku technologii LiDAR.

Czujniki ultradźwiękowe, takie jak TSPC-30S1-232 firmy Senix mogą stanowić uzupełnienie dla czujników LiDAR i innych na potrzeby funkcji jednoczesnych lokalizacji i mapowania (SLAM) oraz zapewnienia bezpieczeństwa w autonomicznych robotach mobilnych (AMR). Optymalny zasięg wspomnianego czujnika wynosi 3m, w porównaniu z zasięgiem 5m czujników LiDAR 2D i 12m czujników LiDAR 3D opisanych powyżej. Ten czujnik ultradźwiękowy z kompensacją temperatury zamknięty jest w obudowie ze stali nierdzewnej z uszczelnieniem środowiskowym, które zapewnia mu stopień ochrony IP68 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: czujnik ultradźwiękowy o optymalnym zasięgu 3m z uszczelnieniem środowiskowym. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Fuzja czujników zwykle odnosi się do użycia kilku czujników dyskretnych. Jednak w niektórych przypadkach wiele czujników jest umieszczanych w jednym urządzeniu.

Trzy czujniki w jednym

Dzięki odbiorowi obrazu z użyciem pary kamer do tworzenia obrazów stereoskopowych oraz przetwarzaniu obrazu w oparciu o sztuczną inteligencję (AI) i uczenie maszynowe (ML), autonomiczny robot mobilny (AMR) może widzieć tło, a także identyfikować pobliskie obiekty. Dostępne są czujniki zawierające w jednym urządzeniu kamery stereo głębi, oddzielną kamerę kolorową oraz inercyjną jednostkę pomiarową (IMU).

Kamery stereo głębi, na przykład D455 RealSense firmy Intel, do pomiaru głębokości i obliczania odległość do obiektu wykorzystują dwie, odsunięte od siebie o znaną odległość kamery. Kluczem do precyzji jest zastosowanie sztywnej ramy stalowej, która gwarantuje dokładną odległość między kamerami, nawet w wymagających środowiskach przemysłowych. Dokładność algorytmu postrzegania głębi zależy od znajomości dokładnej odległości między dwiema kamerami.

Na przykład model kamery głębi 82635DSD455MP został zoptymalizowany pod kątem autonomicznych robotów mobilnych (AMR) i podobnych platform, a jego odległość między kamerami została zwiększona do 95mm (ilustracja 4). Dzięki temu algorytm obliczania głębi może zmniejszyć błąd estymacji do mniej niż 2% przy odległości 4m.

Ilustracja 4: moduł ten zawiera kamery stereo głębi w rozstawie 95mm, oddzielną kamerę kolorową oraz inercyjną jednostkę pomiarową (IMU). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Kamery głębi D455 zawierają również oddzielną kamerę kolorową (RGB). Migawka globalna o częstotliwości do 90 klatek na sekundę w kamerze RGB, dostosowana do pola widzenia (FOV) urządzenia obrazującego głębi, poprawia zgodność między obrazami kolorowymi i obrazami głębi, zwiększając zdolność rozumienia otoczenia. Kamery głębi D455 zawierają inercyjną jednostkę pomiarową (IMU) o sześciu stopniach swobody, która umożliwia algorytmowi obliczania głębi, uwzględnianie prędkości ruchu autonomicznego robota mobilnego (AMR) oraz dynamiczne szacowanie głębi.

Sygnalizacja ruchu oświetleniem i sygnałami dźwiękowymi

Dla bezpieczeństwa autonomicznego robota mobilnego (AMR) istotne są generowane przez niego migające światła i alarmy akustyczne dla osób w jego pobliżu. Lampy mają zwykle postać wieży lub listew świetlnych umieszczonych po bokach autonomicznego robota mobilnego (AMR). Pomagają robotowi w informowaniu ludzi o zamierzonych działaniach. Mogą również informować o takich statusach, jak ładowanie akumulatora, załadunek lub rozładunek, zamiar skrętu w nowym kierunku (jak kierunkowskazy w samochodzie), stany awaryjne itp.

Nie istnieją normy dotyczące kolorów świateł, prędkości migania czy alarmów akustycznych. Mogą one różnić się w zależności od producenta i często są opracowywane w celu odzwierciedlenia konkretnych działań w obiekcie, w którym autonomiczny robot mobilny (AMR) ma pracować. Listwy świetlne są dostępne z wbudowanymi mechanizmami alarmów akustycznych oraz bez nich. Na przykład model TLF100PDLBGYRAQP firmy Banner Engineering zawiera uszczelniony element akustyczny z 14 możliwymi do wyboru tonami i regulacją głośności (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wskaźnik przyzewowy w postaci listwy świetlnej zawiera uszczelniony element akustyczny (górny czarny okrąg). (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wsparcie logistyczne

Autonomiczne roboty mobilne (AMR) działają w ramach większych procesów i często muszą być zintegrowane z oprogramowaniem do planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), systemem realizacji produkcji (MES) lub systemem zarządzania magazynem (WMS). Moduł komunikacyjny w autonomicznych robotach mobilnych (AMR) w połączeniu z czujnikami, takimi jak czytniki kodów kreskowych i czytniki RFID, umożliwia pełne zintegrowanie autonomicznych robotów mobilnych (AMR) z systemami przedsiębiorstwa.

Gdy potrzebny jest czytnik kodów kreskowych, projektanci mogą sięgnąć po urządzenie V430-F000W12M-SRP firmy Omron, które potrafi odczytywać kody kreskowe 1D i 2D na etykietach oraz kody kreskowe stanowiące bezpośrednie znakowania części (DPM). Posiada ono funkcję automatycznego nastawiania ostrości ze zmienną odległością, obiektyw o szerokim polu widzenia, czujnik o rozdzielczości 1,2 megapikseli, wbudowane oświetlenie i funkcję szybkiego przetwarzania danych.

Urządzenie DLP-RFID2 firmy DLP Design jest niedrogim, kompaktowym modułem, służącym do odczytu i zapisu znaczników transponderów RFID wysokiej częstotliwości (HF). Jest ono również w stanie odczytywać maksymalnie 15 znaczników unikalnych identyfikatorów (UDI) jednocześnie i można je skonfigurować do korzystania z anteny wewnętrznej lub zewnętrznej. Posiada zakres temperatur roboczych od 0°C do +70°C, dzięki czemu nadaje się do stosowania w obiektach produkcyjnych i logistycznych Przemysłu 4.0.

Podsumowanie

Fuzja czujników jest ważnym narzędziem wspierającym funkcję jednoczesnych lokalizacji i mapowania (SLAM) oraz zapewnienie bezpieczeństwa w autonomicznych robotach mobilnych (AMR). W oczekiwaniu na publikację normy R15.08-3, która może zawierać odniesienia do fuzji czujników oraz bardziej rozbudowane próby stabilności i walidację autonomicznych robotów mobilnych (AMR), w niniejszym artykule dokonano przeglądu niektórych aktualnych norm i najlepszych praktyk wdrażania fuzji czujników w autonomicznych robotach mobilnych (AMR). To drugi artykuł z dwuczęściowej serii. W części pierwszej dokonano przeglądu bezpiecznej i sprawnej integracji autonomicznych robotów mobilnych (AMR) z operacjami Przemysłu 4.0 w celu uzyskania maksymalnych korzyści.