Modul în care fuziunea senzorilor permite AMR-urilor să opereze eficient în atelierele fabricilor

Odată cu creșterea numărului de persoane și de roboți mobili autonomi (AMR), numiți și roboți mobili industriali (IMR), care lucrează în aceeași zonă, trebuie abordate mai multe riscuri de siguranță inerente. Funcționarea sigură și eficientă a AMR-urilor este prea importantă pentru a se baza pe o singură tehnologie de senzori.

Fuziunea multisenzorială, sau pur și simplu „fuziunea senzorilor”, combină tehnologii precum telemetria cu laser (LIDAR), camere de luat vederi, senzori cu ultrasunete, senzori cu laser pentru obstacole și identificarea prin radiofrecvență (RFID) pentru a susține o serie de funcții AMR, inclusiv navigația, planificarea traiectoriei, evitarea coliziunilor, gestionarea inventarului și sprijinul logistic. Fuziunea senzorilor cuprinde și alertarea persoanelor din apropiere cu privire la prezența AMR.

Pentru a răspunde cerințelor de funcționare sigură și eficientă a AMR-urilor, American National Standards Institute (ANSI) și Association for Advancing Automation (A3), denumită anterior Robotic Industries Association (RIA), dezvoltă seria de standarde ANSI/A3 R15.08. Au fost publicate standardele R15.08-1 și R15.08-2, care se concentrează pe cerințele de siguranță de bază și pe integrarea AMR-urilor la o locație. R15.08-3 este în curs de dezvoltare și va extinde cerințele de siguranță pentru AMR-uri, inclusiv recomandări mai detaliate pentru utilizarea fuziunii senzorilor.

În așteptarea standardului R15.08-3, acest articol trece în revistă unele dintre cele mai bune practici actuale legate de siguranța și fuziunea senzorilor în AMR-uri, începând cu o scurtă prezentare generală a cerințelor de siguranță funcțională utilizate în prezent cu AMR-urile, inclusiv standardele de siguranță industrială generice, cum ar fi IEC 61508, ISO 13849 și IEC 62061, și cerințele de siguranță pentru detectarea prezenței umane, precum IEC 61496 și IEC 62998. Apoi, se prezintă un proiect AMR tipic care detaliază numeroasele tehnologii de senzori, prezintă dispozitive reprezentative și analizează modul în care acestea susțin funcții precum navigarea, planificarea traiectoriei, localizarea, evitarea coliziunilor și gestionarea inventarului/suport logistic.

Bun, mai bun, cel mai bun

Proiectanții de AMR-uri trebuie să ia în considerare o serie de standarde de siguranță, începând cu standardele de siguranță funcțională de uz general, cum ar fi IEC 61508, ISO 13849 și IEC 62061. De asemenea, există standarde de siguranță mai specifice legate de detectarea prezenței umane, cum ar fi IEC 61496, IEC 62998 și seria de standarde ANSI/A3 R15.08.

IEC 61496 oferă îndrumări pentru mai multe tipuri de senzori. Acesta se referă la IEC 62061, care specifică cerințele și face recomandări pentru proiectarea, integrarea și validarea echipamentelor de protecție electrosensibile (ESPE) pentru utilaje, inclusiv nivelurile de integritate a siguranței (SIL), și la ISO 13849, care se referă la siguranța utilajelor și a părților legate de siguranță ale sistemelor de control, inclusiv nivelurile de performanță a siguranței (PL) (Tabelul 1).

Tabelul 1: Cerințe de siguranță pentru ESPE în funcție de tipul specificat în IEC 61496. (Sursa tabelului: Analog Devices)

IEC 62998 este un standard mai nou și poate fi adesea o alegere mai bună, deoarece include îndrumări privind implementarea fuziunii senzorilor, utilizarea inteligenței artificiale (AI) în sistemele de siguranță și utilizarea senzorilor montați pe platforme mobile care nu intră sub incidența IEC 61496.

R15.08 Partea 3, atunci când va fi lansat, ar putea face ca seria R15.08 să devină cea mai bună, deoarece va adăuga cerințe de siguranță pentru utilizatorii de sisteme AMR și aplicațiile AMR. Printre subiectele probabile se numără fuziunea senzorilor și testarea și validarea mai amplă a stabilității AMR.

Funcții de fuziune a senzorilor

Maparea instalației este un aspect esențial al punerii în funcțiune a AMR-urilor. Totuși, aceasta nu este o activitate care se face o singură dată. În plus, face parte dintr-un proces continuu numit localizare și mapare simultană (SLAM), denumit uneori localizare și mapare sincronizată. Acesta este procesul de actualizare continuă a hărții unei zone pentru a ține cont de orice schimbare, urmărind în același timp locația robotului.

Fuziunea senzorilor este necesară pentru a sprijini SLAM și pentru a permite operarea în siguranță a AMR-urilor. Nu toți senzorii funcționează la fel de bine în toate circumstanțele de funcționare, iar diferitele tehnologii de senzori produc diferite tipuri de date. Inteligența artificială poate fi utilizată în sistemele de fuziune a senzorilor pentru a combina informații despre mediul de operare local (condiții de ceață sau fum, umezeală, nivelul de intensitate a luminii ambientale etc.) și pentru a obține un rezultat mai semnificativ prin combinarea ieșirilor diferitelor tehnologii de senzori.

Elementele senzorilor pot fi clasificate după funcție și după tehnologie. Exemple de funcții de fuziune a senzorilor în AMR-uri includ (Figura 1):

• Senzorii de distanță, cum ar fi codificatoarele de pe roți și unitățile de măsurare inerțială care utilizează giroscoape și accelerometre, ajută la măsurarea mișcării și la calcularea distanței dintre pozițiile de referință.
• Senzorii de imagine, cum ar fi camerele tridimensionale (3D) și LiDAR 3D, sunt utilizați pentru a identifica și a urmări obiectele din apropiere.
• Legăturile de comunicații, procesoarele de calcul și senzorii logistici, cum ar fi scanerele de coduri de bare și dispozitivele de identificare prin radiofrecvență (RFID), conectează AMR la sistemele de gestionare de la nivelul întregii instalații și integrează informațiile de la senzorii externi în sistemul de fuziune a senzorilor AMR pentru o performanță îmbunătățită.
• Senzorii de proximitate, cum ar fi scanerele cu laser și LiDAR bidimensional (2D), detectează și urmăresc obiectele din apropierea AMR-urilor, inclusiv mișcările persoanelor.

Figura 1: Exemple de tipuri comune de senzori și de elemente de sistem aferente utilizate în proiectele de fuziune a senzorilor AMR. (Sursa imaginii: Qualcomm)

LiDAR 2D, LiDAR 3D și ultrasunete

LiDAR 2D și LiDAR 3D și ultrasunetele sunt tehnologii de senzori obișnuite care susțin SLAM și siguranța în AMR-uri. Diferențele dintre aceste tehnologii permit unui senzor să compenseze punctele slabe ale celorlalți senzori pentru a îmbunătăți performanța și fiabilitatea.

LiDAR 2D utilizează un singur plan de iluminare laser pentru a identifica obiectele în funcție de coordonatele X și Y. LiDAR 3D utilizează mai multe fascicule laser pentru a crea o reprezentare 3D foarte detaliată a împrejurimilor, numită „nor de puncte”. Ambele tipuri de LiDAR sunt relativ imune la condițiile de lumină ambientală, dar necesită ca obiectele care urmează să fie detectate să aibă un prag minim de reflexie a lungimii de undă emise de laser. În general, LiDAR 3D poate detecta obiectele cu reflexie redusă cu o mai mare fiabilitate decât LiDAR 2D.

Senzorul LiDAR 3D HPS-3D160 de la Seeed Technology integrează emițători laser cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL) în infraroșu, cu o putere ridicată de 850 nm, și un CMOS cu fotosensibilitate ridicată. Procesorul încorporat de înaltă performanță include algoritmi de filtrare și compensare și poate suporta mai multe operațiuni LiDAR simultane. Unitatea are o rază de acțiune de până la 12 metri, cu o precizie de un centimetru.

Atunci când este nevoie de o soluție LiDAR 2D, proiectanții pot utiliza TIM781S-2174104 de la SICK. Acesta are un unghi de deschidere de 270 de grade, cu o rezoluție unghiulară de 0,33 grade și o frecvență de scanare de 15 Hz. Raza sa de acțiune pentru funcționare sigură este de 5 metri (Figura 2).

Figura 2: Acest senzor LiDAR 2D are un unghi de deschidere de 270 de grade. (Sursa imaginii: SICK)

Senzorii cu ultrasunete pot detecta cu precizie obiectele care pot transmite, cum ar fi sticla și materialele care absorb lumina, obiecte pe care LiDAR nu le poate vedea întotdeauna. Senzorii cu ultrasunete sunt, de asemenea, mai puțin susceptibili la interferențele cauzate de un nivel ridicat de praf, fum, umiditate și alte condiții care pot perturba LiDAR. Cu toate acestea, senzorii cu ultrasunete sunt sensibili la interferențele cauzate de zgomotul din mediul înconjurător, iar razele lor de detecție pot fi mai limitate decât LiDAR.

Senzorii cu ultrasunete, precum ar fi TSPC-30S1-232 de la Senix, pot completa LiDAR și alți senzori pentru SLAM și siguranța AMR. Are o rază optimă de acțiune de 3 metri, față de 5 metri pentru LiDAR 2D și 12 metri pentru LiDAR 3D, detaliate mai sus. Acest senzor cu ultrasunete compensat în funcție de temperatură este clasificat IP68 într-o carcasă din oțel inoxidabil etanșată împotriva mediului exterior (Figura 3).

Figura 3: Senzor cu ultrasunete etanșat împotriva mediului exterior cu o rază optimă de acțiune de 3 metri. (Sursa imaginii: DigiKey)

În general, fuziunea senzorilor se referă la utilizarea mai multor senzori discreți. Dar, în unele cazuri, mai mulți senzori sunt încapsulați la un loc, formând o singură unitate.

Trei senzori în unul

Percepția vizuală care utilizează o pereche de camere pentru a produce imagini stereoscopice, plus procesarea imaginilor bazată pe inteligență artificială și învățare automată, poate permite AMR-urilor să vadă fundalul, precum și să identifice obiectele din apropiere. Există senzori care includ camere stereo de adâncime, o cameră color separată și o unitate de măsurare inerțială (IMU) într-o singură unitate.

Camerele stereo de adâncime, cum ar fi camerele de adâncime Intel RealSense D455 RealSense, utilizează două camere separate de o linie de referință cunoscută pentru a detecta adâncimea și a calcula distanța până la un obiect. O cheie a preciziei este utilizarea unui cadru din oțel robust care asigură o distanță de separare exactă între camere, chiar și în medii industriale solicitante. Acuratețea algoritmului de percepție a adâncimii depinde de cunoașterea distanței exacte dintre cele două camere.

De exemplu, camera de adâncime model 82635DSD455MP a fost optimizată pentru AMR-uri și platforme similare și a extins distanța dintre camere până la 95 mm (Figura 4). Acest lucru permite algoritmului de calcul al adâncimii să reducă eroarea de estimare la mai puțin de 2% la 4 metri.

Figura 4: Acest modul include camere stereo de adâncime separate de 95 mm, o cameră color separată și o unitate de măsurare inerțială. (Sursa imaginii: DigiKey)

De asemenea, camerele de adâncime D455 includ o cameră color (RGB) separată. Un obturator global de până la 90 de cadre per secundă de pe camera RGB, adaptat la câmpul de vizualizare (FOV) al camerei de adâncime, îmbunătățește corespondența dintre imaginile color și cele de adâncime, sporind capacitatea de a înțelege mediul înconjurător. Camerele de adâncime D455 integrează un IMU cu șase grade de libertate care permite algoritmului de calcul al adâncimii să includă viteza de mișcare a AMR-ului și să producă estimări dinamice ale adâncimii.

Iluminarea și sonorizarea drumului

Luminile intermitente și alertele sonore pentru persoanele aflate în apropierea unui AMR sunt importante pentru siguranța AMR. De obicei, luminile iau forma unui turn de iluminare sau a unei benzi luminoase pe părțile laterale ale AMR-ului. Acestea ajută robotul să comunice oamenilor acțiunea sau acțiunile pe care urmează să le facă. De asemenea, pot indica stări precum încărcarea bateriei, activități de încărcare sau descărcare, intenția de a vira într-o nouă direcție (ca semnalizarea unei mașini), situații de urgență și așa mai departe.

Nu există standarde pentru culorile luminilor, vitezele de clipire sau alarmele sonore. Acestea pot varia de la un producător de AMR la altul și sunt adesea concepute pentru a reflecta activitățile specifice din instalația în care funcționează AMR. Benzile luminoase sunt disponibile cu și fără mecanisme de alertă sonoră încorporate. De exemplu, modelul TLF100PDLBGYRAQP de la Banner Engineering include un element sonor sigilat cu 14 tonuri selectabile și controlul volumului (Figura 5).

Figura 5: Acest semnalizator cu bare luminoase include un element sonor sigilat (cercul negru din partea de sus). (Sursa imaginii: DigiKey)

Sprijin logistic

AMR-urile funcționează ca parte a unor operațiuni mai mari și deseori trebuie să se integreze cu un software de planificare a resurselor întreprinderii (ERP), cu un sistem de execuție a producției (MES) sau cu un sistem de gestionare a depozitelor (WMS). Modulul de comunicații de pe AMR, împreună cu senzori precum cititoarele de coduri de bare și RFID, permit ca AMR-urile să se integreze perfect în sistemele întreprinderii.

Atunci când este nevoie de un cititor de coduri de bare, proiectanții pot alege V430-F000W12M-SRP de la Omron, care poate citi coduri de bare 1D și 2D de pe etichete sau coduri de bare DPM (Direct Part Mark). Acesta include autofocalizare la distanță variabilă, un obiectiv cu câmp vizual larg, un senzor de 1,2 megapixeli, o lumină încorporată și procesare de mare viteză.

DLP-RFID2 de la DLP Design este un modul compact, cu costuri reduse, pentru citirea și scrierea de pe și pe etichete RFID de înaltă frecvență (HF) cu transponder. De asemenea, poate citi identificatorii unici (UDI) pentru până la 15 etichete în același timp și poate fi configurat pentru a utiliza o antenă internă sau externă. Are un interval al temperaturii de funcționare de la 0 °C la +70 °C, ceea ce îl face potrivit pentru utilizarea în instalațiile de producție și logistică din Industria 4.0.

Concluzie

Fuziunea senzorilor este un instrument important pentru sprijinirea SLAM și a siguranței în AMR-uri. În așteptarea standardului R15.08-3, care poate include referiri la fuziunea senzorilor și la teste de stabilitate și validare mai extinse pentru AMR, acest articol a analizat unele standarde actuale și cele mai bune practici pentru implementarea fuziunii senzorilor în AMR. Acest articol este al doilea dintr-o serie de două părți. Prima parte a analizat integrarea sigură și eficientă a AMR-urilor în operațiunile din Industria 4.0 pentru a obține beneficii maxime.