Wrth i robotiaid ddod yn fwy hunangynhaliol, mae'n rhaid iddynt lywio eu hamgylchoedd gyda mwy o annibyniaeth a dibynadwyedd. Rhaid i dractorau ymreolaethol, cynaeafwyr amaethyddol, a pheiriannau hadu wneud eu ffordd yn ofalus trwy gaeau cnydau tra bod yn rhaid i gerbydau danfon hunan-yrru groesi'r strydoedd yn ddiogel i osod pecynnau yn y man cywir. Ar draws ystod eang o gymwysiadau, mae robotiaid symudol ymreolaethol (AMRs) angen ffynonellau lleoli hynod gywir i gwblhau'r swyddi y maent wedi'u dylunio ar eu cyfer yn ddiogel ac yn llwyddiannus.
Mae cyflawni cywirdeb o'r fath yn gofyn am ddwy set o alluoedd lleoliad. Un yw deall ei sefyllfa gymharol ei hun â gwrthrychau eraill. Mae hyn yn darparu mewnbwn hanfodol i ddeall y byd o'i gwmpas ac, yn yr achos mwyaf amlwg, osgoi rhwystrau sy'n llonydd ac yn ddisymud. Mae'r symudiad deinamig hwn yn gofyn am bentwr helaeth o synwyryddion mordwyo fel camerâu, radar, lidar, a'r meddalwedd ategol i brosesu'r signalau hyn a rhoi cyfeiriad amser real i'r AMB.
Yr ail set o alluoedd yw i'r AMB ddeall ei union leoliad ffisegol (neu leoliad absoliwt) yn y byd fel y gall lywio llwybr a raglennwyd i'r ddyfais yn fanwl gywir ac dro ar ôl tro. Achos defnydd amlwg yma yw amaethyddiaeth drachywiredd, lle mae angen i AMBau amrywiol deithio i lawr yr un llwybr cul dros gyfnod o fisoedd lawer i blannu, dyfrhau, a chynaeafu cnydau, gyda phob pas yn ei gwneud yn ofynnol i'r AMB gyfeirio at yr un union fan bob tro. .
Mae hyn yn gofyn am set wahanol o alluoedd llywio, gan ddechrau gyda Global Navigation Satellite Systems (GNSS), y mae'r ecosystem gyfan o synwyryddion a meddalwedd yn ei defnyddio. Yn ychwanegu at GNSS mae galluoedd cywiro fel RTK a SSR sy'n helpu i yrru 100x manylder uwch na GNSS yn unig ar gyfer cymwysiadau awyr agored, ac Unedau Mesur Anadweithiol wedi'u cyfuno â meddalwedd ymasiad synhwyrydd ar gyfer llywio lle nad yw GNSS ar gael (cyfrif marw).
Cyn i ni blymio i mewn i'r technolegau hyn, gadewch inni dreulio munud yn edrych ar achosion defnydd lle mae angen lleoliadau cymharol ac absoliwt er mwyn i AMB wneud ei waith.
Cymwysiadau roboteg sy'n gofyn am leoliad cymharol ac absoliwt
Mae AMBau yn datgelu'r hyn y mae bodau dynol yn ei gymryd yn ganiataol - y gallu cynhenid i leoli'ch hun yn gywir yn y byd a chymryd camau manwl gywir yn seiliedig ar y wybodaeth honno. Po fwyaf amrywiol yw’r ceisiadau am AMBau, y mwyaf y byddwn yn darganfod pa fathau o gamau gweithredu sydd angen manylder eithafol. Mae rhai enghreifftiau yn cynnwys:
Awtomeiddio Amaethyddol: Mewn amaethyddiaeth, mae AMBau yn dod yn fwyfwy cyffredin ar gyfer tasgau fel plannu, cynaeafu, a monitro cnydau. Mae'r robotiaid hyn yn defnyddio lleoli absoliwt, yn nodweddiadol trwy GPS, i lywio trwy feysydd mawr ac yn aml yn anwastad yn fanwl gywir. Mae hyn yn sicrhau y gallant gwmpasu ardaloedd eang yn systematig a dychwelyd i leoliadau penodol yn ôl yr angen. Fodd bynnag, unwaith y byddant yn agos at gnydau neu o fewn ardal ddynodedig, mae AMBau yn dibynnu ar leoliad cymharol ar gyfer tasgau sy'n gofyn am lefel uwch o gywirdeb, megis casglu ffrwythau a allai fod wedi tyfu neu newid safle ers i'r AMB ymweld ag ef ddiwethaf. Trwy gyfuno'r ddau ddull lleoli, gall y robotiaid hyn weithredu'n effeithlon yn yr amgylcheddau heriol ac amrywiol sy'n nodweddiadol o feysydd amaethyddol.
Dosbarthu Milltir Olaf mewn Lleoliadau Trefol: Mae AMBs yn trawsnewid danfoniad milltir olaf mewn amgylcheddau trefol trwy gludo nwyddau yn annibynnol o ganolfannau dosbarthu i gyrchfannau terfynol. Mae'r robotiaid hyn yn defnyddio lleoliad absoliwt i lywio strydoedd dinas, lonydd cefn, a chynlluniau trefol cymhleth, gan sicrhau eu bod yn dilyn y llwybrau gorau posibl wrth osgoi traffig a chadw at amserlenni dosbarthu. Ar ôl cyrraedd cyffiniau'r lleoliad danfon, bydd yr AMBs hefyd yn defnyddio lleoliad cymharol i symud o amgylch rhwystrau amrywiol neu annisgwyl, megis cerbyd sydd wedi'i barcio ddwywaith ar y stryd. Mae'r dull deuol hwn yn galluogi'r AMBau i ymdrin â chymhlethdodau tirweddau trefol a dosbarthu'n union gywir i garreg drws cwsmeriaid.
Awtomeiddio Safle Adeiladu: Ar safleoedd adeiladu, defnyddir AMBau i sicrhau bod y prosiect yn cael ei adeiladu i'r union fanylebau a ddynodwyd gan y peirianwyr. Maent hefyd yn helpu gyda thasgau fel cludo deunyddiau a mapio neu arolygu amgylcheddau. Mae'r safleoedd hyn yn aml yn rhychwantu ardaloedd mawr gydag amgylcheddau sy'n newid yn gyson, gan ei gwneud yn ofynnol i AMBau ddefnyddio safleoedd absoliwt i lywio a chynnal cyfeiriadedd o fewn safle cyffredinol y prosiect. Mae lleoli cymharol yn dod i rym pan fydd AMBau yn cyflawni tasgau sy'n gofyn am ryngweithio ag elfennau deinamig, megis osgoi offer arall neu hyd yn oed personél ar y safle. Mae'r cyfuniad o'r ddwy system leoli yn caniatáu i AMBau gyfrannu'n effeithiol at natur gymhleth a deinamig prosiectau adeiladu, gan wella effeithlonrwydd a diogelwch.
Cynnal a Chadw Ffyrdd Ymreolaethol: Mae AMBs yn cael eu defnyddio fwyfwy mewn tasgau cynnal a chadw ffyrdd megis archwilio palmant, selio crac, a phaentio llinellau. Mae'r robotiaid hyn yn defnyddio lleoliad absoliwt i deithio ar hyd darnau o briffyrdd neu ffyrdd, gan sicrhau eu bod yn aros ar y trywydd iawn dros bellteroedd hir ac yn gallu dal yn union y lleoliadau penodol lle mae angen cynnal a chadw. Wrth gyflawni'r tasgau cynnal a chadw hyn, maent yn newid i leoliad cymharol i nodi'n gywir a mynd i'r afael â diffygion ffyrdd penodol, paentio marciau lôn yn fanwl gywir, neu lywio o amgylch rhwystrau. Mae'r gallu deuol hwn yn caniatáu i AMBau reoli tasgau cynnal a chadw ffyrdd yn effeithlon tra'n lleihau'r angen i weithwyr dynol weithredu mewn amgylcheddau peryglus ar ochr y ffordd, gan wella diogelwch a chynhyrchiant.
Monitro a Chadwraeth Amgylcheddol: Mewn amgylcheddau awyr agored, mae AMBau yn aml yn cael eu defnyddio ar gyfer ymdrechion monitro a chadwraeth amgylcheddol megis olrhain bywyd gwyllt, canfod llygredd, a mapio cynefinoedd. Mae'r robotiaid hyn yn trosoledd lleoli absoliwt i lywio ardaloedd naturiol helaeth, o goedwigoedd i ranbarthau arfordirol, gan sicrhau ymdriniaeth gynhwysfawr o'r tir a chaniatáu ar gyfer dal arolygon safle manwl a mapio. Gall AMBau gyflawni tasgau fel dal delweddau cydraniad uchel, casglu samplau, neu olrhain symudiadau anifeiliaid yn fanwl gywir a gallant droshaenu'r samplau hyn dros amser mewn ffordd gydlynol.
Ym mhob un o'r enghreifftiau uchod, mae angen cywirdeb lleoli absoliwt o lawer llai na metr er mwyn osgoi canlyniadau trychinebus posibl. Mae anafiadau gweithwyr, colledion cynnyrch sylweddol, ac oedi costus i gyd yn debygol heb leoliad manwl gywir. Yn y bôn, bydd unrhyw le y mae angen i AMB weithredu o fewn ychydig gentimetrau yn ei gwneud yn ofynnol iddo gael atebion lleoliad cymharol ac absoliwt.
Technoleg ar gyfer lleoli cymharol
Mae AMBs yn trosoledd nifer o synwyryddion i leoli eu hunain mewn perthynas â gwrthrychau eraill yn eu hamgylchedd. Mae'r rhain yn cynnwys:
Camerâu: Mae camerâu yn gweithredu fel synwyryddion gweledol robotiaid symudol ymreolaethol, gan roi darlun uniongyrchol iddynt o'u hamgylchedd yn debyg i'r ffordd y mae llygaid dynol yn gweithio. Mae'r dyfeisiau hyn yn dal gwybodaeth weledol gyfoethog y gall robotiaid ei defnyddio ar gyfer canfod gwrthrychau, osgoi rhwystrau, a mapio'r amgylchedd. Fodd bynnag, mae camerâu yn dibynnu ar oleuadau digonol a gallant gael eu llesteirio gan dywydd garw fel niwl, glaw neu dywyllwch. Er mwyn mynd i'r afael â'r cyfyngiadau hyn, mae camerâu yn aml yn cael eu paru â synwyryddion bron isgoch neu'n meddu ar alluoedd golwg nos, sy'n caniatáu i'r robotiaid weld mewn amodau golau isel. Mae camerâu yn elfen allweddol mewn odometreg weledol, proses lle mae newidiadau mewn safle dros amser yn cael eu cyfrifo trwy ddadansoddi delweddau camera dilyniannol. Yn gyffredinol, mae angen prosesu sylweddol ar gamerâu bob amser er mwyn trosi eu delweddau 2-D yn strwythurau 3-D.
Synwyryddion Radar: Mae synwyryddion radar yn gweithredu trwy allyrru tonnau radio curiadus sy'n adlewyrchu gwrthrychau, gan ddarparu gwybodaeth am gyflymder, pellter a safle cymharol y gwrthrych. Mae'r dechnoleg hon yn gadarn a gall weithredu'n effeithiol mewn amodau amgylcheddol amrywiol, gan gynnwys glaw, niwl a llwch, lle gallai camerâu a lidar ei chael hi'n anodd. Fodd bynnag, mae synwyryddion radar fel arfer yn cynnig data mwy prin a datrysiad is o gymharu â mathau eraill o synwyryddion. Er gwaethaf hyn, maent yn amhrisiadwy am eu dibynadwyedd wrth ganfod cyflymder gwrthrychau symudol, gan eu gwneud yn arbennig o ddefnyddiol mewn amgylcheddau deinamig lle mae deall symudiad endidau eraill yn hollbwysig.
Synwyryddion Lidar: Mae Lidar, neu Canfod Golau ac Amrediad, yn dechnoleg synhwyrydd sy'n defnyddio corbys laser i fesur pellteroedd trwy amseru adlewyrchiad golau oddi ar wrthrychau. Trwy sganio'r amgylchedd gyda chodlysiau laser cyflym, mae lidar yn creu mapiau 3D manwl gywir iawn o'r amgylchoedd. Mae hyn yn ei wneud yn arf hanfodol ar gyfer lleoli a mapio ar yr un pryd (SLAM), lle mae'r robot yn adeiladu map o amgylchedd anhysbys tra'n cadw golwg ar ei leoliad o fewn y map hwnnw. Mae lidar yn adnabyddus am ei gywirdeb a'i allu i weithredu'n dda mewn amodau goleuo amrywiol, er y gall fod yn llai effeithiol mewn glaw, eira neu niwl, lle gall diferion dŵr wasgaru'r trawstiau laser. Er ei bod yn dechnoleg ddrud, mae lidar yn cael ei ffafrio mewn llywio ymreolaethol oherwydd ei gywirdeb a'i ddibynadwyedd mewn amgylcheddau cymhleth.
Synwyryddion Ultrasonic: Mae synwyryddion uwchsonig yn gweithredu trwy allyrru tonnau sain amledd uchel sy'n bownsio oddi ar wrthrychau cyfagos, gyda'r synhwyrydd yn mesur yr amser y mae'n ei gymryd i'r adlais ddychwelyd. Mae hyn yn caniatáu i'r robot gyfrifo'r pellter i wrthrychau a rhwystrau yn ei lwybr. Mae'r synwyryddion hyn yn arbennig o ddefnyddiol ar gyfer canfod amrediad byr ac fe'u defnyddir yn aml mewn gweithgareddau araf, agos fel llywio o fewn mannau tynn fel eiliau warws, neu ar gyfer symudiadau manwl gywir fel tocio neu wrth gefn. Mae synwyryddion uwchsonig yn gost-effeithiol ac yn gweithio'n dda mewn amrywiaeth o amodau, ond mae eu hystod gyfyngedig a'u hamser ymateb arafach o'u cymharu â lidar a chamerâu yn golygu eu bod yn fwyaf addas ar gyfer amgylcheddau penodol, rheoledig lle mae angen manylder uchel yn agos.
Mae'r dechnoleg sylfaenol a ddefnyddir ar gyfer lleoli absoliwt yn dechrau gyda GNSS (y term sy'n cynnwys GPS a systemau lloeren eraill fel GLONASS, Galileo, a BeiDou). O ystyried bod amodau atmosfferig ac anghysondebau lloeren yn effeithio ar GNSS, gall roi datrysiad sefyllfa sydd i ffwrdd o lawer o fetrau. Ar gyfer AMBau sydd angen llywio mwy manwl gywir, nid yw hyn yn ddigon da – felly mae technoleg o'r enw GNSS Corrections yn dod i'r amlwg sy'n lleihau'r gwall hwn cyn ised ag un centimedr.
RTK: Mae sinematig amser real (RTK) yn defnyddio rhwydwaith o orsafoedd sylfaen gyda safleoedd hysbys fel pwyntiau cyfeirio ar gyfer cywiro amcangyfrifon lleoliad derbynnydd GNSS. Cyhyd â bod yr AMB o fewn 50 cilometr i orsaf sylfaen a bod ganddo gyswllt cyfathrebu dibynadwy, gall RTK ddarparu cywirdeb 1–2-centimetr yn ddibynadwy.
SSR neu PPP-RTK: Mae Cynrychiolaeth Gofod y Wladwriaeth (SSR), a elwir weithiau hefyd yn PPP-RTK, yn trosoli gwybodaeth o'r rhwydwaith gorsaf sylfaen, ond yn lle anfon cywiriadau yn uniongyrchol o orsaf sylfaen leol, mae'n modelu'r gwallau ar draws ardal ddaearyddol eang. Y canlyniad yw bod darpariaeth ehangach yn caniatáu pellteroedd ymhell y tu hwnt i 50km o orsaf sylfaen, ond mae cywirdeb yn gostwng i 3-10 centimetr neu fwy yn dibynnu ar ddwysedd ac ansawdd y rhwydwaith.
Er bod y ddau ddull hyn yn gweithio'n eithriadol o dda lle mae signalau GNSS ar gael (awyr agored yn gyffredinol), bydd llawer o AMBau yn teithio i ffwrdd o'r awyr agored, lle mae rhwystr rhwng y derbynnydd GNSS ar yr AMB a'r awyr. Gall hyn ddigwydd mewn twneli, garejys parcio, perllannau, ac amgylcheddau trefol. Dyma lle mae Systemau Llywio Anadweithiol (INS) yn dod i rym gyda'u meddalwedd Uned Mesur Anadweithiol (IMU) a Synhwyrydd Fusion.
IMU- Mae IMU yn cyfuno cyflymromedrau, gyrosgopau, ac weithiau magnetomedrau i fesur cyflymiad llinellol system, cyflymder onglog, a chryfder maes magnetig, yn y drefn honno. Mae hwn yn ddata hanfodol sy'n galluogi INS i bennu lleoliad, cyflymder a chyfeiriadedd gwrthrych o'i gymharu â man cychwyn mewn amser real.
Mae hanes yr IMU yn dyddio'n ôl i ddechrau'r 20fed ganrif, gyda'i wreiddiau yn natblygiad dyfeisiau gyrosgopig a ddefnyddir mewn systemau llywio ar gyfer llongau ac awyrennau. Datblygwyd yr IMUs ymarferol cyntaf yn ystod yr Ail Ryfel Byd, yn bennaf i'w defnyddio mewn systemau canllaw taflegrau ac yn ddiweddarach yn y rhaglen ofod. Roedd teithiau Apollo, er enghraifft, yn dibynnu'n fawr ar IMUs ar gyfer llywio yn y gofod, lle nad oedd dulliau llywio traddodiadol yn ymarferol. Dros y degawdau, mae technoleg IMU wedi datblygu'n sylweddol, wedi'i ysgogi gan finiatureiddio cydrannau electronig a dyfodiad technoleg Systemau Micro-Electro-Mecanyddol (MEMS) ar ddiwedd yr 20fed ganrif. Mae'r esblygiad hwn wedi arwain at IMUs mwy cryno, fforddiadwy a chywir, gan alluogi eu hintegreiddio i ystod eang o electroneg defnyddwyr, systemau modurol a chymwysiadau diwydiannol heddiw.
Ymasiad Synhwyrydd– Mae meddalwedd ymasiad synhwyrydd yn gyfrifol am gyfuno data o'r IMU, yn ogystal â synwyryddion eraill i greu dealltwriaeth gydlynol a chywir o leoliad absoliwt AMB pan nad yw GNSS ar gael. Mae'r gweithrediadau mwyaf sylfaenol yn "llenwi'r bylchau" mewn amser real, rhwng pan fydd y signal GNSS yn cael ei ollwng a phan gaiff ei godi eto gan yr AMB. Mae cywirdeb meddalwedd ymasiad synhwyrydd yn dibynnu ar sawl ffactor, gan gynnwys ansawdd a graddnodi'r synwyryddion dan sylw, yr algorithmau a ddefnyddir ar gyfer ymasiad, a'r cymhwysiad neu'r amgylchedd penodol y caiff ei ddefnyddio ynddo. Mae meddalwedd ymasiad synhwyrydd mwy soffistigedig yn gallu croes-gydberthyn gwahanol ddulliau synhwyrydd, gan arwain at gywirdeb lleoliadol uwch nag o unrhyw un o'r synwyryddion yn yr ateb yn gweithio ar ei ben ei hun.
Mae RTK ar gyfer GNSS yn darparu ffynhonnell gywir iawn o leoliad absoliwt ar gyfer robotiaid ymreolaethol. Heb RTK, fodd bynnag, nid yw llawer o gymwysiadau roboteg yn bosibl nac yn ymarferol. O grwydro arolygon adeiladu i dronau dosbarthu ymreolaethol ac offer amaethyddiaeth ymreolaethol, mae nifer o AMBau yn dibynnu ar y lleoliad absoliwt centimetr-gywir y gall RTK yn unig ei ddarparu.
Wedi dweud hynny, nid yw datrysiad RTK ond cystal â'r rhwydwaith y tu ôl iddo. Mae cywiriadau dibynadwy cyson yn gofyn am rwydwaith hynod ddwys o orsafoedd sylfaen fel bod derbynyddion bob amser o fewn ystod ddigon agos i gywiro gwallau yn gywir. Po fwyaf yw'r rhwydwaith, yr hawsaf yw hi i gael cywiriadau ar gyfer AMBau o unrhyw le. Nid dwysedd yn unig yw'r unig ffactor. Mae rhwydweithiau yn systemau amser real hynod gymhleth ac mae angen monitro proffesiynol, arolygu a gwirio cywirdeb i sicrhau bod y data sy'n cael ei anfon at yr AMB yn gywir ac yn ddibynadwy.
Beth mae hyn i gyd yn ei olygu i ddatblygwyr robotiaid ymreolaethol? O leiaf lle mae ceisiadau awyr agored yn y cwestiwn, nid oes unrhyw AMB yn gyflawn heb dderbynnydd GNSS wedi'i bweru gan RTK. I gael yr ateb mwyaf cywir posibl, dylai datblygwyr ddibynnu ar y rhwydwaith RTK dwysaf a mwyaf dibynadwy. A lle mae'n rhaid i robotiaid symud yn aml i mewn ac allan o amgylcheddau signal GNSS delfrydol, megis ar gyfer cerbyd danfon hunan-yrru, RTK ynghyd ag IMU yw'r ffynhonnell fwyaf cynhwysfawr o leoliad absoliwt sydd ar gael.
Nid oes unrhyw ddau gymhwysiad roboteg ymreolaethol yr un peth, ac mae pob gosodiad unigryw yn gofyn am ei gymysgedd ei hun o wybodaeth lleoli gymharol ac absoliwt. Ar gyfer AMBau awyr agored yfory, fodd bynnag, mae GNSS gyda rhwydwaith cywiriadau RTK cadarn yn elfen hanfodol o'r pentwr synhwyrydd.