Șansele de a întâlni un robot pe stradă au crescut mult în ultimii ani, deoarece comercianții cu amănuntul și restaurantele au început să experimenteze servicii de livrare autonome. Cu siguranță, în timp, roboții vor deveni o apariție obișnuită acasă, în zonele pietonale, pe șosele și la locurile de muncă, precum în fabrici, depozite și ferme.
Roboți în mișcare
Spre deosebire de zonele cu acces limitat în care sunt instalați, de regulă, roboții industriali, mediile în aer liber, zonele agricole și unele platforme industriale, cum ar fi minele, carierele sau fabricile, sunt destul de puțin structurate. Adesea, nu este posibil ca roboții să se deplaseze conform unor tipare prestabilite pentru a ajunge la destinația dorită, de exemplu, urmând marcajele de pe podea sau parcurgând distanțe preprogramate. Mediul înconjurător conține multe obstacole și se schimbă continuu în forme imprevizibile ale căror caracteristici impun robotului să “gândească pe picioarele sale”, adică să reacționeze autonom și în timp real.
Conștientizarea precisă a contextului este esențială atât pentru misiune, cât și pentru siguranță. Aceasta include localizarea geografică, atât pentru a naviga spre destinație, cât și pentru a evita zonele improprii. Pentru a-și proteja încărcătura și finaliza călătoria în condiții de siguranță, un robot de livrare trebuie să păstreze distanța față de drum, cu excepția unor circumstanțe speciale, cum ar fi atunci când trebuie să îl traverseze.
Poziționarea prin satelit este o opțiune eficientă pentru a permite roboților mobili să opereze în zone nestructurate. Vehiculele terestre autonome utilizate în agricultură recurg la poziționarea prin satelit pentru a-și determina cu precizie poziția în câmpuri mari și complexe. Aceste informații sunt esențiale pentru sarcini cum ar fi agricultura de precizie, permițând roboților să planteze semințe sau să aplice îngrășăminte și pesticide cu o acuratețe foarte mare. Prin urmare, agricultura de precizie asigură o mai bună utilizare a resurselor și randamente potențial mai mari ale culturilor. În plus, vehiculele terestre autonome echipate cu navigație prin satelit pot îndeplini sarcini precum prelevarea de probe de sol, colectarea de date, monitorizarea de la distanță a sănătății plantelor, recoltarea și transportul culturilor sau al materiilor prime.
Figura 1: Antenele GNSS pentru vehicule sunt potrivite pentru montare externă. (Sursa: Mouser Electronics)
Optimizarea performanțelor GNSS
Roboții mobili proiectați pentru a transporta diverse mărfuri, de exemplu produse de vânzare cu amănuntul pentru livrare la domiciliu, componente în cadrul unei fabrici sau semințe care urmează să fie semănate pe terenurile agricole, tind să fie relativ mari. Deși energia nu este de risipit, restricțiile de alimentare electrică sunt mai puțin stricte decât în cazul multor alte dispozitive inteligente conectate. Sistemul global de navigație prin satelit (GNSS) poate fi proiectat pentru a oferi cea mai bună performanță posibilă, cu o antenă dimensionată optim pentru recepție puternică și circuite de recepție proiectate astfel încât să asigure o sensibilitate optimă. În plus, amplasarea antenei în cea mai bună poziție de pe exteriorul vehiculului, poate asigura o linie de vizibilitate optimă către cer în toate cazurile. Mouser Electronics dispune de o selecție de antene GNSS, inclusiv antena GNSS XAHP.50 Colosseum X Active Multiband de la Taoglas (Figura 1), optimizată pentru diferite aplicații, printre care se numără și vehiculele autonome.
Utilizând o singură constelație GNSS, localizarea poate avea o precizie de trei până la zece metri. Urmărirea cu mai multe constelații poate îmbunătăți precizia prin intermediul mai multor sateliți de la care se pot calcula pozițiile. Pentru îmbunătățirea preciziei sunt disponibile o serie de alte servicii, inclusiv servicii diferențiale și cinematice în timp real (RTK − Real Time Kinematics), care transmit date pentru a corecta anumiți factori, cum ar fi interferențele atmosferice și deriva ceasului de satelit, ceea ce poate reduce erorile de localizare până la un metru. Poziționarea precisă a punctelor (PPP), augmentarea prin satelit și augmentarea la sol sunt utilizate în principal pentru navigația aeronavelor și contribuie la îmbunătățirea preciziei sistemelor de poziționare.
Semnalele provenite de la sateliți pot fi mascate din diverse motive, în funcție de aplicație. Roboții de livrare care operează în orașe pot fi vulnerabili la fenomenul bine documentat al “canionului urban” sau atunci când se deplasează prin pasaje subterane sau tuneluri. Roboții agricoli se pot confrunta cu probleme legate de învelișul copacilor, care variază în funcție de anotimp. Roboții care operează în zone acoperite, cum ar fi depozitele mari, sau care se deplasează între zonele exterioare și cele interioare, pot avea parte de servicii inconsistente.
Pseudo-sateliții (sau pseudolite) pot fi instalați pe sol pentru a imita semnalele sateliților, asigurând astfel disponibilitatea în zonele în care se știe că este dificilă conectarea directă la sateliți. Alternativ, se poate implementa un sistem suplimentar numit “dead reckoning” (navigare în funcție de mișcare), care constă în utilizarea senzorilor inerțiali de la bordul robotului pentru a compensa semnalele de satelit slabe sau absente. Pe de altă parte, cunoașterea locației poate fi realizată cu ajutorul semnalelor radio provenite din rețele publice sau private.
Rețele RF cu localizare
Figura 2: Modulul ABZ LoRa® de la Murata oferă pini dedicați și GPIO-uri pentru conectarea senzorilor și poate fi comandat, opțional, cu un element securizat. (Sursa: Mouser Electronics)
În cazul rețelelor celulare LTE, protocoalele 3GPP NB-IoT permit utilizarea mai multor metode de poziționare, printre care LPP (Location and Positioning Protocol), OTDOA (Observated Time Difference of Arrival) și E-CID (Cell ID), precum și NPRS (Narrowband Positioning Reference Signals). Suportul pentru aceste servicii poate depinde de operatorul de rețea. Și rețelele LoRa pot determina localizarea prin calcularea timpului de întârziere pe baza informațiilor de sincronizare colectate și transmise de către gateway-urile de rețea. Module precum ABZ LoRa® de la Murata (Figura 2), care integrează un microcontroler, un transmițător wireless, un switch RF (comutator RF) și un cip de echilibrare, pot ajuta la configurarea rapidă a conexiunilor LoRa și la începerea evaluării capabilităților de geolocalizare.
Capacitățile de transmisie pe distanțe lungi ale LoRa și NB-IOT, care oferă avantaje în multe aplicații, tind să pună la încercare acuratețea calculelor de poziționare datorate întârzierilor în timp. Pentru a depăși acest aspect, operatorii de roboți pot lua în considerare crearea propriilor rețele 5G private pentru a furniza servicii de comunicații și de localizare. Altfel, sunt posibile localizarea în bandă ultra-largă (UWB) și poziționarea în spații închise prin Bluetooth®. O rețea UWB poate fi creată prin amplasarea de stații de bază, sau ancore, la o distanță de numai câțiva metri una de cealaltă, pentru a asigura o localizare precisă bazată pe calcularea timpului de întârziere. Puterea semnalului UWB ajută, de asemenea, la reducerea erorilor de propagare ‘multipath’ care pot afecta semnalele de localizare mai slabe, cum ar fi cele ale GNSS.
În timp ce Bluetooth® a permis până acum o poziționare aproximativă prin calcul, cele mai recente specificații Bluetooth® 5.x adaugă funcția de localizare a direcției pentru a crește precizia posibilă până la un metru, prin intermediul indicațiilor privind puterea semnalului recepționat (RSSI). Acestea includ unghiul de sosire (AoA) și unghiul de plecare (AoD). Detectarea direcției AoA se realizează la ancoră, care conține o rețea de antene și calculează poziția unui dispozitiv mobil emițător pe baza diferențelor de fază observate la recepționarea semnalului la diferitele antene. AoA este adecvată pentru localizarea și urmărirea în timp real. În AoD, dispozitivul mobil observă diferențele de fază dintre semnalele primite de la antenele ancorei. AoD este adecvată pentru navigare și orientare. Kitul de explorare XPLR-AOA-1 de la u-blox este gata de utilizare pentru a-i ajuta pe dezvoltatori să experimenteze radiogoniometria (DF − Direction Finding) prin Bluetooth®.
Concluzie
Roboții devin mobili, deoarece companiile caută o productivitate mai mare, iar clienții lor cer servicii îmbunătățite. Din ce în ce mai mult, roboții vor fi găsiți în mișcare prin situri industriale, zone urbane și spații agricole, adesea transportând materii prime, componente și produse finite. În aceste medii lipsite de infrastructură, auto-localizarea este esențială pentru misiune și pentru siguranță, pentru a evita coliziunile cu oamenii, cu alte autovehicule sau cu animale.
Deși GNSS este o soluție evidentă și bine dovedită, disponibilitatea acesteia nu este întotdeauna ideală. Există diverse alte abordări viabile pentru a compensa această situație, inclusiv servicii îmbunătățite de sateliți, pseudolite, navigație în funcție de mișcare (dead reckoning) cu senzori inerțiali și rețele cu rază lungă de acțiune sau rețele private RF de interior, cum ar fi UWB și, respectiv, Bluetooth®, care oferă cele mai recente capabilități de radiogoniometrie.
Autor: Mark Patrick
În calitate de Director de conținut tehnic al Mouser Electronics pentru EMEA, Mark este responsabil pentru crearea și difuzarea conținutului tehnic în regiune – conținut care este esențial pentru strategia Mouser de a sprijini, informa și inspira audiența sa specializată în inginerie.
Înainte de a conduce departamentul de conținut tehnic, Mark a făcut parte din echipa de marketing pentru furnizori din regiunea EMEA a companiei Mouser și a jucat un rol vital în stabilirea și dezvoltarea relațiilor cu partenerii cheie de producție. Experiența anterioară a lui Mark acoperă diverse funcții de inginerie practică, asistență tehnică, vânzări de semiconductori și diverse funcții în domeniul marketingului. Mark deține o diplomă în inginerie electronică de la Universitatea Coventry. Este pasionat de sintetizatoarele de colecție și de motocicletele britanice și nu ezită să le întrețină sau să le repare.
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
