Tworzenie robotów świadomych lokalizacji

Tworzenie robotów świadomych lokalizacji Pixabay

W ostatnich latach znacznie wzrosło prawdopodobieństwo natknięcia się na ulicy na robota, ponieważ sklepy i restauracje zaczęły pilotażowo wdrażać dostawy autonomiczne. Z czasem na pewno będziemy coraz częściej spotykać roboty w domach, na chodnikach i drogach oraz w miejscach pracy takich jak fabryki, magazyny i gospodarstwa rolne.

Roboty w ruchu

W przeciwieństwie do obszarów ograniczonych, w których zwykle montuje się roboty przemysłowe, tereny otwarte, obszary rolnicze oraz pewne zakłady przemysłowe, czyli np. kopalnie, kamieniołomy lub fabryki, cechuje znaczny stopień nieuporządkowania. Przemieszczanie robotów według określonych schematów, na przykład przez podążanie za specjalnymi oznaczeniami na posadzce lub jazdę na zadane odległości, jest tam często niepraktyczne. Środowiska takie zawierają liczne przeszkody i nieustannie zmieniają się w nieprzewidywalny sposób, wymagając od robota „myślenia w biegu”, czyli reagowania samodzielnie i w czasie rzeczywistym.

Precyzyjna świadomość kontekstowa ma kluczowe znaczenie zarówno dla misji systemu, jak i bezpieczeństwa. Obejmuje ona lokalizację geograficzną w celu nawigacji do miejsca docelowego i unikania niepożądanych obszarów. Aby chronić ładunek i bezpiecznie dotrzeć na miejsce, robot dostawczy musi unikać dróg, z wyjątkiem szczególnych okoliczności, np. konieczności przejechania przez nie.

Pozycjonowanie satelitarne to efektywna opcja, która umożliwia robotom mobilnym pracę w środowiskach nieustrukturyzowanych. Autonomiczne pojazdy rolnicze korzystają z funkcji pozycjonowania satelitarnego do dokładnego określania własnego położenia na rozległych i skomplikowanych polach. Dane te są niezbędne do prac takich jak rolnictwo precyzyjne, ponieważ umożliwiają robotom prowadzenie wysiewu lub nawożenie i opryski z dużą dokładnością. W ten sposób rolnictwo precyzyjne pozwala lepiej wykorzystywać zasoby i może zapewnić wyższe plony. Ponadto autonomiczne pojazdy terenowe korzystające z nawigacji satelitarnej mogą np. próbkować glebę, gromadzić dane, zdalnie monitorować stan roślin, a także zbierać plony i przewozić plony lub surowce.

Optymalizacja wydajności GNSS

Roboty mobilne zaprojektowane do przenoszenia ładunków, np. towarów dostarczanych do klienta, podzespołów w fabryce lub nasion do wysiewu na polach uprawnych, są zazwyczaj dość duże. Choć i tutaj nie należy marnować energii, ograniczenia dotyczące poboru mocy są w nich mniej rygorystyczne niż w wielu innych połączonych urządzeniach inteligentnych. Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS) można zoptymalizować pod kątem efektywności, dobierając odpowiednią wielkość anteny do odbioru silnego sygnału oraz stosując odbiornik o optymalnej czułości. Poza tym umieszczenie anteny w widocznym miejscu na stosownej powierzchni zewnętrznej pojazdu może zapewnić najlepszą ekspozycję na niebo w większości sytuacji. Mouser Electronics oferuje szeroki asortyment anten GNSS, takich jak aktywna antena wielopasmowa GNSS XAHP.50 Colosseum X firmy Taoglas (Ilustracja 1), zoptymalizowanych do różnych zastosowań, np. do montażu zewnętrznego na pojazdach autonomicznych.

Ilustracja 1. Anteny GNSS do pojazdów nadają się do montażu zewnętrznego

Korzystając z pojedynczej konstelacji satelitów GNSS można ustalić lokalizację z dokładnością od trzech do dziesięciu metrów. Śledzenie wielu konstelacji może jeszcze poprawić dokładność, ponieważ zapewnia większą liczbę satelitów do obliczania pozycji. Istnieje też kilka innych rozwiązań zwiększających dokładność, np. usługi różnicowe i kinematyka czasu rzeczywistego (RTK), w których przesyłane są dane służące do korekcji wpływów takich jak zakłócenia atmosferyczne i dryf zegara satelity, pozwalając ograniczyć błędy lokalizacji do jednego metra. Technika Precise Point Positioning (PPP) oraz satelitarne i naziemne systemy wspomagające służą przede wszystkim do nawigacji lotniczej i pomagają zwiększyć dokładność systemów pozycjonowania.

Jednakże sygnały z satelity mogą być blokowane z różnych przyczyn, w zależności od zastosowania. Roboty dostawcze pracujące w miastach są podatne na dobrze znany problem tzw. kanionów ulicznych oraz zaniki sygnału w przejściach podziemnych i tunelach. Roboty rolnicze mogą, zależnie od pory roku, napotykać problemy wynikające z przesłaniania nieba przez drzewa. Roboty pracujące pod dachem, np. w wielkich magazynach, lub poruszające się między obszarami odkrytymi i pomieszczeniami, również mogą doświadczać przerw w dostawie usług satelitarnych.

Aby zapewnić dostępność sygnału w miejscach, gdzie bezpośrednie połączenie z satelitami orbitalnymi jest utrudnione, można montować na ziemi tzw. pseudolity, czyli „pseudo-satelity”, imitujące sygnały satelitarne. Oprócz tego powszechnie stosuje się w robotach czujniki inercyjne, które rekompensują osłabienie lub brak sygnału satelitarnego poprzez uzupełniającą nawigację zliczeniową. Do ustalania lokalizacji można też stosować sygnały radiowe sieci publicznych lub prywatnych.

Sieci radiowe z lokalizacją

W sieciach komórkowych LTE protokoły 3GPP NB-IoT udostępniają kilka metod pozycjonowania, w tym Location and Positioning Protocol (LPP), Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) i Cell ID (E-CID), a także Narrowband Positioning Reference Signals (NPRS). Dostępność tych usług może zależeć od operatora sieci komórkowej. Sieci LoRa mogą również określać lokalizację na podstawie opóźnień obliczanych z danych czasowych, gromadzonych i przesyłanych przez bramy sieci. Moduły takie jak Murata ABZ LoRa (Ilustracja 2), zawierające mikrokontroler, bezprzewodowy nadajnik-odbiornik, radiowy switch oraz układ równoważący, mogą ułatwić szybkie zestawienie połączeń LoRa i rozpoczęcie oceny możliwości geolokalizacji. 

Iustracja 2. Moduł Murata ABZ LoRa udostępnia dedykowane piny i wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO) do podłączania czujników oraz, opcjonalnie, element bezpieczny

Możliwości transmisji dalekiego zasięgu sieci LoRa i NB-IOT, przydatne w wielu zastosowaniach, mogą sprawiać problemy z dokładnością obliczeń pozycjonowania na podstawie opóźnień czasowych. Aby rozwiązać ten problem, operatorzy robotów mogą rozważyć wdrożenie własnych, prywatnych sieci 5G do świadczenia usług komunikacyjnych i lokalizacyjnych. Możliwa jest też lokalizacja ultraszerokopasmowa (UWB) i pozycjonowanie w pomieszczeniach z użyciem technologii Bluetooth. Sieć UWB można zbudować, rozmieszczając co kilka metrów stacje bazowe (tzw. kotwice), które zapewniają dokładne obliczenia lokalizacji na podstawie opóźnień czasowych. Siła sygnału UWB pomaga również ograniczyć błędy wielotorowości, które mogą mieć wpływ na słabsze sygnały lokalizacyjne, np. GNSS.

Oryginalny standard Bluetooth obsługuje przybliżone pozycjonowanie na bazie obliczeń, lecz w najnowszej specyfikacji Bluetooth 5.x dodano techniki określania kierunku, które pozwalają poprawić możliwą dokładność lokalizacji do poziomu jednego metra dzięki wskaźnikom mocy odbieranego sygnału (RSSI). Obejmują one kąt nadejścia (AoA) i kąt nadawania sygnału (AoD). Ustalanie kierunku AoA odbywa się w stacji bazowej (kotwicy), która zawiera szyk antenowy i oblicza pozycję urządzenia mobilnego nadającego sygnał na podstawie obserwowanych różnic faz sygnału odbieranego przez poszczególne anteny. AoA sprawdza się w lokalizacji i śledzeniu w czasie rzeczywistym. W technice AoD urządzenie mobilne śledzi różnice faz pomiędzy sygnałami odbieranymi z anten kotwic. AoD nadaje się do nawigacji i odnajdywania drogi. Zestaw u-blox XPLR-AOA-1 Explorer Kit działa od razu po wyjęciu z pudełka i pomaga programistom eksperymentować z wyszukiwaniem kierunku przez Bluetooth.

Podsumowanie

Mobilność robotów rośnie, ponieważ firmy walczą o zwiększenie wydajności, a klienci oczekują coraz lepszych usług. Dzięki temu roboty coraz częściej eksplorują obszary przemysłowe, miejskie i rolnicze, często przenosząc przy tym surowce, komponenty i produkty gotowe. W tych nieustrukturyzowanych środowiskach świadomość własnej lokalizacji (tzw. samolokalizacja) ma kluczowe znaczenie dla misji systemu i bezpieczeństwa, pozwalając unikać zderzeń z ludźmi i przeszkodami, takimi jak pojazdy silnikowe i zwierzęta.

Chociaż GNSS stanowi oczywiste i sprawdzone rozwiązanie, dostępność usługi może okazać się niewystarczająca. Aby temu zaradzić, można zastosować wiele rozwiązań, w tym ulepszone usługi satelitarne, pseudolity, nawigację zliczeniową z wykorzystaniem czujników inercyjnych oraz sieci radiowe dalekiego zasięgu i prywatne sieci w budynkach, np. UWB i najnowsze funkcje wyszukiwania kierunku Bluetooth.

Źródło: Mouser Electronics

O Autorze

Czasopismo elektrotechnik AUTOMATYK jest pismem skierowanym do osób zainteresowanych tematyką z zakresu elektrotechniki oraz automatyki przemysłowej. Redakcja online czasopisma porusza na stronie internetowej tematy związane z tymi obszarami – publikuje artykuły techniczne, nowości produktowe, a także inne ciekawe informacje mniej lub bardziej nawiązujące do wspomnianych obszarów.

Tagi artykułu

Zobacz również

elektrotechnik AUTOMATYK 4-5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę