Jak fúze senzorů umožňuje AMR efektivně manévrovat v továrních halách

S rostoucím počtem lidí a autonomních mobilních robotů („autonomous mobile robot“, AMR), nazývaných také průmyslové mobilní roboty („industrial mobile robot“, IMR), pracujících ve stejném prostoru, je třeba řešit četná inherentní bezpečnostní rizika. Bezpečný a efektivní provoz AMR je příliš důležitý na to, abychom se spoléhali na jednu technologii senzorů.

Fúze více senzorů, nebo jednoduše „fúze senzorů“, kombinuje technologie jako laserové zjišťování vzdálenosti (LIDAR), kamery, ultrazvukové senzory, laserové senzory překážek a radiofrekvenční identifikace („radio frequency identification“, RFID), které podporují řadu funkcí AMR, včetně navigace, plánování cesty, předcházení kolizím, řízení zásob a logistické podpory. Fúze senzorů zahrnuje také upozornění okolních lidí na přítomnost AMR.

K řešení potřeby bezpečného a efektivního provozu AMR vyvíjejí Americký národní standardizační institut („American National Standards Institute“, ANSI) a Asociace pro pokrok v automatizaci („Association for Advancing Automation“, A3), dříve Průmyslová asociace robotiky („Robotic Industries Association“, RIA), řadu norem ANSI/A3 R15.08. Byly vydány normy R15.08-1 a R15.08-2, které se zaměřují na základní bezpečnostní požadavky a integrují AMR do pracoviště. V současné době se připravuje norma R15.08-3, která rozšíří bezpečnostní požadavky na AMR, včetně podrobnějších doporučení pro použití fúze senzorů.

V očekávání vydání normy R15.08-3 jsou v tomto článku shrnuty některé z dnešních osvědčených postupů souvisejících s bezpečností a fúzí senzorů v AMR, počínaje stručným přehledem požadavků na funkční bezpečnost, které se v současnosti u AMR používají, včetně obecných průmyslových bezpečnostních norem, jako jsou normy IEC 61508, ISO 13849 a IEC 62061, a bezpečnostních požadavků na snímání lidské přítomnosti, jako jsou normy IEC 61496 a IEC 62998. Poté je zde představen typický návrh AMR s podrobnostmi mnoha technologií senzorů, představena ukázková zařízení a zkoumáno, jak podporují funkce, jako je navigace, plánování cest, lokalizace, předcházení kolizím a správa zásob / logistická podpora.

Dobrý, lepší, nejlepší

Konstruktéři AMR musí vzít v úvahu řadu bezpečnostních norem, počínaje všeobecnými normami funkční bezpečnosti, jako jsou IEC 61508, ISO 13849 a IEC 62061. Existují také specifičtější bezpečnostní normy související se snímáním lidské přítomnosti, jako je IEC 61496, IEC 62998 a řada norem ANSI/A3 R15.08.

Norma IEC 61496 nabízí návod pro několik typů senzorů. Odkazuje na normu IEC 62061, která specifikuje požadavky a poskytuje doporučení pro návrh, integraci a validaci elektrosenzitivních ochranných zařízení („electrosensitive protective equipment“, ESPE) pro stroje, včetně úrovní integrity bezpečnosti („safety integrity level“, SIL), a normu ISO 13849, která pokrývá bezpečnost strojů a části řídicích systémů související s bezpečností, včetně úrovní vlastností („performance level“, PL) (tabulka 1).

Tabulka 1: Bezpečnostní požadavky na ESPE podle typu specifikovaného v normě IEC 61496. (Zdroj tabulky: společnost Analog Devices)

Norma IEC 62998 je novější a může být často lepší volbou, protože obsahuje pokyny k implementaci fúze senzorů, použití umělé inteligence („artificial intelligence“, AI) v bezpečnostních systémech a použití senzorů namontovaných na pohyblivých plošinách, které nepokrývá norma IEC 61496.

Až bude vydána část 3 normy R15.08, může být řada norem R15.08 nejlepší, protože přidá bezpečnostní požadavky pro uživatele systémů AMR a aplikací AMR. Pravděpodobná témata mohou zahrnovat fúzi senzorů a rozsáhlejší testování a ověřování stability AMR.

Funkce fúze senzorů

Základním aspektem uvádění AMR do provozu je mapování závodu. Není to ale jednorázová činnost. Je také součástí neustálého procesu nazývaného současná lokalizace a mapování („simultaneous localization and mapping“, SLAM), někdy nazývaného synchronizovaná lokalizace a mapování. Jedná se o proces průběžné aktualizace mapy prostoru o případné změny a zároveň sledování polohy robotu.

K podpoře SLAM a umožnění bezpečného provozu AMR je zapotřebí fúze senzorů. Ne všechny senzory fungují za všech provozních podmínek stejně dobře a různé technologie senzorů vytvářejí různé typy dat. Umělou inteligenci lze použít v systémech fúze senzorů ke kombinaci informací o místním provozním prostředí (zda je zamlžené nebo zakouřené, vlhké, jak jasné je okolní světlo atd.), a umožnit tak díky kombinaci výstupů různých technologií senzorů smysluplnější výsledek.

Senzorové prvky lze rozdělit do kategorií podle funkce i technologie. Mezi příklady funkcí fúze senzorů v AMR patří (obrázek 1):

• Senzory vzdálenosti, jako jsou kodéry na kolech a inerciální měřicí jednotky využívající gyroskopy a akcelerometry, pomáhají měřit pohyb a určovat vzdálenost mezi referenčními polohami.
• Obrazové senzory, jako jsou trojrozměrné (3D) kamery a 3D LiDAR, se používají k identifikaci a sledování blízkých objektů.
• Komunikační spojení, výpočetní procesory a logistické senzory, jako jsou snímače čárových kódů a zařízení pro radiofrekvenční identifikaci (RFID), propojují AMR se systémy správy celého závodu a integrují informace z externích senzorů do systému fúze senzorů AMR ke zlepšení výkonu.
• Senzory přiblížení, jako jsou laserové skenery a dvourozměrný (2D) LiDAR, detekují a sledují objekty v blízkosti AMR, včetně pohybu osob.

Obrázek 1: Příklady běžných typů senzorů a souvisejících systémových prvků používaných v návrzích fúze senzorů AMR. (Zdroj obrázku: společnost Qualcomm)

2D LiDAR, 3D LiDAR a ultrazvuk

2D a 3D LiDAR a ultrazvuk jsou běžné senzorové technologie, které podporují SLAM a bezpečnost v AMR. Rozdíly mezi těmito technologiemi umožňují jednomu senzoru kompenzovat slabá místa ostatních, a zlepšit tak výkon a spolehlivost.

2D LiDAR využívá k identifikaci objektů na základě souřadnic X a Y jednu rovinu laserového osvětlení. 3D LiDAR využívá více laserových paprsků a vytváří vysoce detailní 3D reprezentaci okolí nazývanou mračno bodů. Oba typy technologie LiDAR jsou relativně imunní vůči okolním světelným podmínkám, ale vyžadují, aby objekty, které mají být detekovány, měly minimální práh odrazivosti vlnové délky vyzařované laserem. Obecně platí, že 3D LiDAR dokáže detekovat objekty s nízkou odrazivostí spolehlivěji než 2D LiDAR.

3D LiDAR senzor HPS-3D160 od společnosti Seeed Technology integruje vysoce výkonné 850nm infračervené povrchově emitující laserové zářiče s vertikální dutinou („vertical-cavity surface-emitting laser“, VCSEL) a vysoce citlivý snímač CMOS. Vestavěný vysoce výkonný procesor zahrnuje filtrovací a kompenzační algoritmy a může podporovat více současných operací LiDAR. Zařízení má dosah až 12 metrů s centimetrovou přesností.

V případě potřeby 2D LiDAR řešení mohou konstruktéři využít model TIM781S-2174104 od společnosti SICK. Vyznačuje se úhlem apertury 270 stupňů s úhlovým rozlišením 0,33 stupně a snímací frekvencí 15 Hz. Jeho pracovní dosah v souvislosti s bezpečností je 5 metrů (obrázek 2).

Obrázek 2: Tento 2D LiDAR senzor má úhel apertury 270 stupňů. (Zdroj obrázku: společnost SICK)

Ultrazvukové senzory dokážou přesně detekovat propustné předměty, jako je sklo a materiály pohlcující světlo, které LiDAR ne vždy vidí. Ultrazvukové senzory jsou také méně náchylné k rušení vysokou prašností, kouřem, vlhkostí a dalšími podmínkami, které mohou provoz LiDAR narušit. Ultrazvukové senzory jsou však citlivé na rušení okolním hlukem a jejich detekční rozsah může být omezenější než u technologie LiDAR.

Ultrazvukové senzory, jako např. model TSPC-30S1-232 od společnosti Senix, mohou k zajištění SLAM a bezpečnosti AMR doplnit LiDAR a další senzory. Tento senzor má optimální dosah 3 metry ve srovnání s 5 metry u 2D LiDAR a 12 metry u 3D LiDAR senzoru podrobně popsaného výše. Tento teplotně kompenzovaný ultrazvukový senzor má v krytu z nerezové oceli utěsněném proti vlivům prostředí krytí IP68 (obrázek 3).

Obrázek 3: Ultrazvukový senzor utěsněný proti vlivům prostředí s optimálním dosahem 3 metry. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Fúze senzorů obvykle znamená použití několika samostatných senzorů. Ale v některých případech je několik senzorů společně v jednom pouzdru jako jedna jednotka.

Tři senzory v jednom

Vizuální vnímání pomocí dvojice kamer k vytváření stereoskopických snímků plus zpracování obrazu založené na AI a ML může AMR umožnit vidět pozadí a identifikovat blízké objekty. K dispozici jsou senzory, které zahrnují hloubkové stereokamery, samostatnou barevnou kameru a IMU v jedné jednotce.

Hloubkové stereokamery, jako je např. model hloubkové kamery D455 RealSense společnosti Intel RealSense, využívají dvě kamery oddělené známou základní linií ke snímání hloubky a výpočtu vzdálenosti k objektu. Jedním z klíčů k přesnosti je použití robustní ocelové konstrukce, která zajišťuje přesnou vzdálenost mezi kamerami, a to i v náročných průmyslových prostředích. Přesnost algoritmu vnímání hloubky závisí na přesné znalosti vzdálenosti mezi dvěma kamerami.

Například model hloubkové kamery 82635DSD455MP byl optimalizován pro AMR a podobné platformy a prodloužil vzdálenost mezi kamerami na 95 mm (obrázek 4). To umožňuje algoritmu výpočtu hloubky snížit chybu odhadu na méně než 2 % na 4 metrech.

Obrázek 4: Tento modul obsahuje hloubkové stereokamery oddělené 95 mm, samostatnou barevnou kameru a IMU. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Hloubkové kamery D455 obsahují také samostatnou barevnou (RGB) kameru. Globální závěrka pro až 90 snímků za sekundu na RGB kameře, přizpůsobená zornému poli („field of view“, FOV) hloubkového zobrazovacího zařízení, zlepšuje soulad mezi barevným a hloubkovým obrazem a vylepšuje schopnost porozumět okolí. Hloubkové kamery D455 zahrnují IMU se šesti stupni volnosti, což umožňuje algoritmu výpočtu hloubky zahrnout rychlost pohybu AMR a vytvářet dynamické odhady povědomí o hloubce.

Osvětlení a ozvučení cesty

Blikající světla a zvuková upozornění pro osoby v blízkosti AMR jsou pro bezpečnost AMR důležitá. Světla mají obvykle podobu světelného semaforu nebo světelného pásu po stranách AMR. Pomáhají robotu sdělit lidem jeho zamýšlenou akci. Mohou také indikovat stav, jako je nabíjení baterie, nakládání nebo vykládání, záměr odbočit novým směrem (jako blinkry na autě), nouzové podmínky a tak dále.

Pro barvy světla, rychlost blikání nebo zvukové alarmy neexistují žádné standardy. Tyto parametry se tak mohou mezi výrobci AMR lišit a jsou často vyvinuty tak, aby odrážely konkrétní činnosti v závodu, kde AMR působí. Světelné pásy jsou k dispozici s vestavěnými zvukovými výstražnými mechanismy i bez nich. Například model TLF100PDLBGYRAQP od společnosti Banner Engineering obsahuje utěsněný slyšitelný prvek se 14 volitelnými tóny a ovládáním hlasitosti (obrázek 5).

Obrázek 5: Toto signalizační zařízení-světelná lišta obsahuje utěsněný slyšitelný prvek (horní černý kruh). (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Logistická podpora

AMR fungují jako součást větších operací a často se vyžaduje integrace se softwarem pro plánování podnikových zdrojů („enterprise resource planning“, ERP), systémem pro řízení výroby („manufacturing execution system“, MES) nebo systémem pro řízení skladu („warehouse management system“, WMS). Pevné začlenění AMR do podnikových systémů umožňuje komunikační modul na AMR ve spojení se senzory, jako jsou čtečky čárových kódů a RFID.

V případě potřeby čtečky čárových kódů mohou konstruktéři využít zařízení V430-F000W12M-SRP od společnosti Omron, které dokáže dekódovat 1D a 2D čárové kódy na štítcích nebo čárové kódy Direct Part Mark (DPM). Čtečka obsahuje automatické ostření s proměnnou vzdáleností, objektiv se širokým zorným polem, 1,2megapixelový snímač, vestavěné světlo a vysokorychlostní zpracování.

Zařízení DLP-RFID2 od společnosti DLP Design je levný, kompaktní modul pro čtení a zápis do vysokofrekvenčních („high-frequency“, HF) RFID tagů transpondéru. Modul dokáže číst také jedinečné identifikátory („unique identifier“, UDI) až 15 tagů najednou a lze jej nakonfigurovat k použití interní nebo externí antény. Má rozsah provozních teplot 0 °C až +70 °C, díky čemuž je vhodný pro použití ve výrobních a logistických závodech Průmyslu 4.0.

Závěr

Fúze senzorů je důležitým nástrojem pro podporu SLAM a bezpečnosti v AMR. V očekávání normy R15.08-3, která může obsahovat odkazy na fúzi senzorů a rozsáhlejší testování a ověřování stability AMR, jsou v tomto článku zhodnoceny některé současné normy a osvědčené postupy k implementaci fúze senzorů v AMR. Toto je druhý článek ze dvoudílné série. První část pojednávala o bezpečné a účinné integraci AMR do operací v rámci Průmyslu 4.0 pro dosažení maximálního užitku.