Naujos lidar platformos žada saugesnes, efektyvesnes ir autonomiškesnes pramonines sistemas

Nuo gamyklų aukštų ir vykdymo centrų iki paskirstymo centrų – automatizavimas spartėja. Robotai, šakiniai krautuvai ir mobiliosios platformos dabar perkelia medžiagas, tikrina gaminius ir derina veiksmus su žmonėmis – visa tai vis dinamiškesnėje aplinkoje.

Dėl šio pokyčio išaugo pažangių jutimo sistemų paklausa: technologijos, leidžiančios mašinoms suvokti aplinką tiksliai, patikimai ir suvokiant kontekstą, kaip tai leidžia apmokytas žmogus.

Tikimasi, kad pasaulinė sandėlių automatizavimo rinka išaugs nuo maždaug 30 mlrd. USD 2025 m. iki daugiau nei 60 mlrd. USD iki 2030 m., o robotika pirmauja dviženkliais metiniais augimo tempais. Iššūkis yra tas, kad daugelis šiuolaikinių jutiklių – fotoaparatų, radarų ir įprastinių lidarų – negali neatsilikti nuo pramonės autonomijos sudėtingumo ar masto.

Kad gamyboje ir logistikoje būtų „viskas autonomiška“, jutimo technologija turi tapti mažesnė, galingesnė ir žymiai labiau prieinama.

Kodėl jutimas svarbiau nei bet kada

Regėjimo sistemos buvo būtinos automatizuojant pasikartojančias užduotis, tačiau jos dažnai sugenda ten, kur susikerta tikslumas, greitis ir aplinkos kintamumas.

• Fotoaparatai kovoja su akinimu, šešėliais ir prasto apšvietimo sąlygomis.
• Skrydžio laiko (ToF) jutikliai pateikia naudingus gylio žemėlapius, tačiau praranda nuotolio tikslumą nuvažiuojant atstumą ir esant ryškiam apšvietimui.
• Įprasti lidarai, tačiau jų tikslumas yra ribotas, brangus ir sunkiai pritaikomas didelės apimties diegimui.

Pramoninės automatikos aplinka dar labiau apsunkina: blizgi susitraukianti plėvelė, atspindintys metaliniai padėklai, dulkės ir vibracija gali trikdyti jutimo veikimą. Robotai, dirbantys vienas šalia kito, taip pat turi vengti skersinio pokalbio trukdžių, kai vienu metu veikia dešimtys jutiklių.

Rezultatas – didėjantis naujos 3D jutimo klasės poreikis – toks, kuriame yra mažesnis nei centimetro tikslumas, kompaktiška integracija ir atsparumas apšvietimui ar aplinkos triukšmui.

Automatizavimo ateitis priklauso nuo suvokimo, kuris yra keičiamas ir tikslus. Čia lustu pagrįstas FMCW lidar daro šuolį iš laboratorijos į sandėlį.

FMCW lidar: atstumo ir judesio matavimas kartu

Vienas iš perspektyviausių laimėjimų yra dažnio moduliuotos nuolatinės bangos (FMCW) lidar, technologija, kuri naudoja tą patį nuotolio nustatymo principą kaip radaras, taikomas šviesai, todėl skiriamoji geba yra didesnė.

Skirtingai nuo tradicinio ToF lidaro, kuris matuoja lazerio impulsų grįžimo laiką, FMCW lidar skleidžia nuolatinį spindulį, kurio dažnis yra nuolat „čirškiamas“. Kai atsispindėjusi šviesa grįžta, ji nuosekliai sumaišoma su perduodamo signalo kopija. Gautas plakimo dažnis atskleidžia ir atstumą iki objekto, ir jo santykinį greitį.

Šis dvigubas matavimas atskleidžia keletą svarbių pramonės automatizavimo pranašumų:

• Diapazonas ir greitis vienu nuskaitymu, pašalinant kelių kadrų skaičiavimus
• Atsparumas saulės ir aplinkos šviesai, nes sistema nustato dažnį, o ne ryškumą
• Laisvė nuo kryžminio pokalbio net ir tankioje kelių robotų aplinkoje
• Aukštas signalo ir triukšmo santykis, išsaugantis tikslumą dėl rūko, dulkių ar akinimo

Praktiškai FMCW lidar gali pateikti išsamų daugiamatį vaizdą – gylį, atspindį ir judesį – leidžia mašinoms matyti ne tik kur yra objektai, bet ir kaip jie juda.

Carbon lidar sistema sukurta kompaktiškumui ir didelės raiškos jutimui. Šaltinis: Voyant Photonics.

Silicio fotonika: raktas į keičiamo dydžio lidarą

Nors FMCW suteikia puikią jutimo fiziką, silicio fotonika užtikrina mastelio keitimą.

Integruojant šviesos spinduliavimą, pluošto valdymą ir nuoseklų aptikimą į vieną fotoninį lustą, silicio fotonika pašalina didelių gabaritų optikos, sudėtingo derinimo ir judančių dalių poreikį. Procese naudojamos brandžios puslaidininkių liejyklos – tokios pačios, kurios gamina duomenų ryšio komponentus, leidžiančius kurti plokštelinius jutiklius.

Rezultatai gali apimti:

• Miniatiūrizavimas: Pakankamai maži jutikliai, kad būtų galima įdėti į roboto rankas arba autonominius mobiliuosius robotus (AMR).
• Patikimumas: Mažiau susidėvinčių arba nuslystančių judančių dalių.
• Prieinamumas: Dėl didelės apimties gamybos sąnaudos sumažėja dydžiu.
• Nuoseklumas: Gamykloje sukalibruotos lustai užtikrina vienodą visų automobilių parkų veikimą.

„Voyant“ integruota FMCW architektūra iliustruoja šią tendenciją, pasiekusi „lidar-on-a-chip“ integraciją su emiteriu ir imtuvu tame pačiame štampelyje. Dėl šios konstrukcijos pažangų 3D jutimą galima gaminti kaip procesorių ar fotoaparato jutiklį, todėl jis pasiekiamas plačiu mastu, išnaudojant eksponentinį silicio pramonės pajėgumą.

„Voyant“ generalinis direktorius teigia, kad silicio fotonika leidžia gaminti didelius kiekius. Šaltinis: Voyant Photonics

Pramoninio naudojimo atvejai: kai tikslumas atitinka produktyvumą

Dėl FMCW lidar gebėjimo realiuoju laiku pateikti tankius 3D duomenis ir greičio grįžtamąjį ryšį jis tinka daugeliui pagrindinių pramonės automatizavimo programų. Toliau pateikiami keli naudojimo atvejai, kai tokio tipo technologija duoda apčiuopiamos naudos.

1. Padėklų tvarkymas ir šakinio krautuvo nurodymai

Sandėliuose ir paskirstymo centruose padėklų įtraukimas išlieka viena iš preciziškiausių operacijų. Autonominiai šakiniai krautuvai ir padėklų krautuvai turi sulygiuoti šakes su siauromis padėklų įleidimo angomis ir kompensuoti netaisyklingas apkrovas.

Kompaktiški FMCW lidar moduliai gali būti montuojami ant stiebo arba važiuoklės, užtikrinantys platų matymo lauką, didelės raiškos 3D duomenis, centimetrų tikslumą ir greičio stebėjimą.

Sistema tiksliai matuoja ir roboto artėjimo greitį, ir padėklo padėtį net po plastikine plėvele ar blizgiomis dangomis. Rezultatas: mažiau susidūrimų, greitesni pakrovimo ciklai ir mažesnis rankinis įsikišimas, todėl didesnis pralaidumas ir saugumas.

2. Robotų rinkimas ir manipuliavimas objektu

Elektroninės prekybos ir vykdymo centruose robotų rankos vis dažniau yra atsakingos už prekių paėmimą, rūšiavimą ir perkėlimą tarp konvejerių ar šiukšliadėžių. Tačiau tik regėjimo sistemos dažnai susiduria su orientacija į objektą, okliuzija ir atspindinčia pakuote.

Lustų mastelio lidarą galima integruoti tiesiai į roboto riešą arba galinį efektorių, kad būtų galima atvaizduoti objektus 3D erdvėje mažesniu centimetru. Tai leidžia ginklams:

• Suplanuokite optimalius suvokimo taškus ir trajektorijas realiuoju laiku.
• Atpažinti ir valdyti įvairių formų ir medžiagų objektus.
• Dirbkite su greitesniu ciklo laiku ir mažiau klaidų.

Kadangi „lidar“ modulis yra mažas ir autonominis, jį galima montuoti tose vietose, kur netelpa dideli jutikliai – tai atveria kelią vikresniam, keičiamo dydžio roboto diegimui.

3. Mobiliosios platformos navigacija ir lokalizavimas

AMR ir automatizuotos valdomos transporto priemonės (AGV) turi važiuoti didžiulėse patalpose, kuriose apšvietimo sąlygos, paviršiai ir kliūtys nuolat kinta.

Tradicinė navigacija remiasi vizualiu vienalaikiu lokalizavimu ir kartografavimu (vSLAM), ratų odometru arba išoriniais žymekliais – visa tai yra linkusi į dreifą ar klaidas aplinkoje, kurioje trūksta funkcijų. FMCW lidar gali pateikti ego judėjimo įvertinimą naudodamas Doplerio greičio jutiklį, leisdamas robotams išmatuoti savo judėjimą tiesiogiai atsižvelgiant į aplinką.

Tai pagerina lokalizacijos tikslumą, sumažina priklausomybę nuo išorinių jutiklių, pvz., GPS, ir palaiko patikimą žemėlapių našumą visose patalpose ir lauke. Operatoriams tai reiškia mažiau navigacijos klaidų, ilgesnį veikimo laiką ir mažesnes priežiūros išlaidas.

„Voyant“ teigimu, FMCW lidar leidžia geriau naršyti sandėliuose. Šaltinis: Voyant Photonics

4. Sauga, bendradarbiavimas ir žmogaus aptikimas

Bendradarbiaujančioje aplinkoje saugumas yra svarbiausias dalykas. Mašinos turi ne tik aptikti žmones, bet ir interpretuoti jų judėjimą. FMCW lidar greičio suvokimas leidžia nuspėti išvengti susidūrimo – atskirti nejudančią kliūtį nuo judančio žmogaus ar transporto priemonės viename kadre.

Tai leidžia robotams sulėtinti arba sustoti prieš įvykstant pavojui. Rezultatas – sklandesnė darbo eiga, kai žmonės ir robotai gali dalytis erdve be brangių saugos narvų ar jutiklių pertekliaus.

5. Mišrios aplinkos logistika ir kiemo autonomija

Daugelis logistikos įrenginių dabar yra lauke, kur AMR ir šakiniai krautuvai juda tarp vidaus sandėlių ir kiemų po atviru dangumi. FMCW lidar veikia patikimai šiuose perėjimuose, jo neveikia saulės šviesa ar akinimas, kuris prisotintų fotoaparato ar ToF sistemas.

Išlaikant tikslius diapazono ir greičio duomenis esant bet kokiam apšvietimui, šie veiksmingi ir lankstūs jutikliai gali veikti visą parą – tai labai svarbu didelės apimties logistikos ir gamybos aplinkoms, kuriose veikimo laikas yra nediskutuojamas.

Kodėl FMCW lidar tinkamas laikas

Pramonės automatikos sektorius vystosi nuo didelių stacionarių įrenginių prie modulinės, keičiamo dydžio robotikos. Tai sistemos, kurias galima lanksčiai diegti esamose patalpose, ne tik naujose. Tam pokyčiui reikalingi mažesni, pigesni ir labiau integruoti jutikliai.

Silicio fotonika pagrįstas FMCW lidar tiesiogiai sprendžia šį perėjimą:

• Kompaktiška forma, skirta lengvai integruoti į AMR, robotų rankas ir šakinius krautuvus.
• 10 kartų mažesnė kaina nei palyginami didelio našumo lidar įrenginiai.
• Vaflių gamyba didelės apimties konsistencijai.
• Mažesnis nei centimetro tikslumas ir didelis atsparumas trukdžiams arba aplinkos šviesai.

Fizinis AI: jutimo ir intelektas

Dirbtinis intelektas leidžia mašinoms planuoti, samprotauti ir optimizuoti. Tačiau fizinėje aplinkoje intelektas yra nenaudingas be suvokimo. Ši jutimo ir AI sankirta yra kita didelė automatizavimo riba.

Šioje naujoje paradigmoje jutikliai veikia kaip autonominių sistemų akys ir ausys, įgalinančios erdvinį suvokimą realiuoju laiku, kuris skatina mašinų mokymąsi ir sprendimų priėmimą. Kad tai būtų plačiai paplitusi, jutikliai turi būti keičiami tuo pačiu mastelio keitimo keliu, kaip ir kompiuterija, pereinant nuo specialios aparatinės įrangos prie integruotų lustų, pagamintų milijonais.

Būtent tai leidžia silicio fotonika ir FMCW lidar: suvokimas, kad masteliai lyg puslaidininkiai.

Naujausias „Lidar“ gali pakeisti pramonės ekonomiką

Įperkamas, keičiamo dydžio „Lidar“ pakeičia pramonės autonomijos lygtį. Robotai ir transporto priemonės su kompaktiškais, didelio tikslumo jutikliais gali saugiai veikti kartu su žmonėmis, dinamiškai prisitaikyti prie naujų išdėstymų ir užtikrinti greitesnę investicijų grąžą (IG) dėl mažiau klaidų ir paprastesnės integracijos.

Sistemų integratoriams tai reiškia lankstesnę diegimo architektūrą. Operatoriams tai reiškia patikimumą ir ekonomiškumą neprarandant našumo. Visai rinkai tai rodo perėjimą nuo automatizavimo kaip projekto prie autonomijos kaip platformos – pagrindo kitai pramonės produktyvumo bangai.

Sandėliams, gamykloms ir tiekimo grandinėms toliau tobulėjant link visiškos autonomijos, mašinos, kurios gali tiksliausiai matyti ir suprasti pasaulį, apibrėžs fizinio dirbtinio intelekto eros lyderius.

Apie autorę

Clément Nouvel yra Niujorke įsikūrusios „Voyant Photonics“, silicio fotonikos pagrindu pagamintos lidar lyderės, generalinis direktorius. Prieš prisijungiant Voyantjis praleido beveik dešimtmetį vadovaudamas pasaulinėms „Lidar“ programoms „Valeo“, pradėdamas masinę gamybą kai kurias pirmąsias pasaulyje automobiliams skirtas lidar sistemas.

Prieš tai Nouvelas 12 metų praleido „Renault Samsung Motors“. Jis turi gamtos mokslų magistro laipsnius Ecole Polytechnique ir CentraleSuplec bei MBA laipsnį iš Insead. Nouvelas teigė, kad jis aistringai siekia tobulinti keičiamo dydžio jutimo technologijas, kurios įgalintų fizinę AI revoliuciją.