С увеличением числа случаев, когда люди и автономные мобильные роботы (AMR), также называемые промышленными мобильными роботами (IMR), работают в одной и той же области, необходимо устранять многочисленные неотъемлемые риски безопасности. Безопасная и эффективная работа AMR слишком важна, чтобы полагаться на один датчик. technology.
Multi-Sensor Fusion, или просто «Sensor Fusion», сочетает в себе такие технологии, как лазерный дальномер (LIDAR), камеры, ультразвуковые датчики, лазерные датчики препятствий и радиочастотную идентификацию (RFID), для поддержки ряда функций AMR, включая навигацию, определение пути. планирование, предотвращение столкновений, управление запасами и логистическая поддержка. Senor fusion также включает в себя оповещение находящихся поблизости людей о присутствии AMR.
Чтобы удовлетворить потребность в безопасной и эффективной эксплуатации AMR, Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Ассоциация по развитию автоматизации (A3), бывшая Ассоциация робототехнической промышленности (RIA), разрабатывают серию ANSI/A3 R15.08. стандартов. Были выпущены R15.08-1 и R15.08-2, в которых основное внимание уделяется основным требованиям безопасности и интеграции AMR в сайт. R15.08-3 в настоящее время находится в стадии разработки и расширит требования безопасности для AMR, включая более подробные рекомендации по использованию слияния датчиков.
В преддверии выхода R15.08-3 в этой статье рассматриваются некоторые из современных передовых практик, связанных с безопасностью и объединением датчиков в AMR, начиная с краткого обзора требований функциональной безопасности, используемых в настоящее время с AMR, включая общие стандарты промышленной безопасности, такие как IEC 61508, ISO. 13849 и IEC 62061, а также требования безопасности для обнаружения присутствия человека, такие как IEC 61496 и IEC 62998. Затем в нем представлена типичная конструкция AMR с подробным описанием многочисленных сенсорных технологий, представлены репрезентативные устройства и рассмотрено, как они поддерживают такие функции, как навигация, планирование пути, локализация, предотвращение столкновений и управление запасами/логистическая поддержка.
Хороший лучше наилучший
Разработчикам AMR необходимо учитывать ряд стандартов безопасности, начиная со стандартов функциональной безопасности общего назначения, таких как IEC 61508, ISO 13849 и IEC 62061. Существуют также более конкретные стандарты безопасности, связанные с обнаружением присутствия человека, такие как IEC 61496, IEC 62998. и серию стандартов ANSI/A3 R15.08.
МЭК 61496 предлагает рекомендации для нескольких типов датчиков. Он относится к стандарту IEC 62061, который определяет требования и дает рекомендации по проектированию, интеграции и проверке электрочувствительного защитного оборудования (ESPE) для машин, включая уровни полноты безопасности (SIL), и ISO 13849, который охватывает безопасность оборудования и связанные с безопасностью средства защиты. части систем управления, включая уровни безопасности (УБ) (табл. 1).
|
|||||||||||||||||||
Таблица 1. Требования безопасности для ESPE по типам, указанным в IEC 61496. (Источник таблицы: Analog Devices)
IEC 62998 является более новым и часто может быть лучшим выбором, поскольку он включает рекомендации по реализации объединения датчиков, использованию искусственного интеллекта (ИИ) в системах безопасности и использованию датчиков, установленных на движущихся платформах, за пределами действия IEC 61496.
R15.08 Часть 3, когда она будет выпущена, может сделать серию R15.08 лучшей, поскольку она добавит требования безопасности для пользователей систем AMR и приложений AMR. Вероятные темы могут включать объединение датчиков и более обширное тестирование и проверку стабильности AMR.
Функции объединения датчиков
Картирование объекта является важным аспектом ввода в эксплуатацию AMR. Но это не одноразовое действие. Это также часть непрерывного процесса, называемого одновременной локализацией и картографированием (SLAM), который иногда называют синхронной локализацией и картографированием. Это процесс постоянного обновления карты местности на предмет любых изменений при одновременном отслеживании местоположения робота.
Объединение датчиков необходимо для поддержки SLAM и обеспечения безопасной эксплуатации AMR. Не все датчики работают одинаково хорошо при любых условиях эксплуатации, и разные сенсорные технологии создают разные типы данных. Искусственный интеллект можно использовать в системах слияния датчиков для объединения информации о местной операционной среде (туманно или задымлено, влажно, насколько яркий окружающий свет и т. д.) и обеспечения более значимого результата путем объединения выходных данных различных сенсорных технологий.
Сенсорные элементы можно классифицировать как по функциям, так и по технологии. Примеры функций объединения датчиков в AMR включают в себя (рис. 1):
- Датчики расстояния, такие как энкодеры на колесах, и инерциальные измерительные блоки с использованием гироскопов и акселерометров помогают измерять движение и определять диапазон между контрольными положениями.
- Датчики изображения, такие как трехмерные (3D) камеры и 3D LiDAR, используются для идентификации и отслеживания близлежащих объектов.
- Каналы связи, вычислительные процессоры и логистические датчики, такие как сканеры штрих-кодов и устройства радиочастотной идентификации (RFID), связывают AMR с системами управления в масштабах предприятия и интегрируют информацию от внешних датчиков в систему объединения датчиков AMR для повышения производительности.
- Датчики приближения, такие как лазерные сканеры и двумерный (2D) LiDAR, обнаруживают и отслеживают объекты рядом с AMR, включая движение людей.
2D LiDAR, 3D LiDAR и ультразвук
2D и 3D LiDAR и ультразвук — это распространенные сенсорные технологии, которые поддерживают SLAM и безопасность в AMR. Различия между этими технологиями позволяют одному датчику компенсировать недостатки других, повышая производительность и надежность.
2D LiDAR использует одну плоскость лазерного освещения для идентификации объектов по координатам X и Y. 3D LiDAR использует несколько лазерных лучей для создания высокодетализированного трехмерного представления окружающей среды, называемого облаком точек. Оба типа LiDAR относительно невосприимчивы к условиям окружающего освещения, но требуют, чтобы обнаруживаемые объекты имели минимальный порог отражения длины волны, излучаемой лазером. В целом, 3D LiDAR может обнаруживать объекты с низкой отражательной способностью с большей надежностью, чем 3D LiDAR.
Датчик HPS-3D160 3D LiDAR от Seeed Technology объединяет мощные 850 нм инфракрасные излучатели поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) и высокосветочувствительную CMOS. Встроенный высокопроизводительный процессор включает в себя алгоритмы фильтрации и компенсации и может поддерживать несколько одновременных операций LiDAR. Радиус действия устройства составляет до 12 метров с точностью до сантиметра.
Когда требуется решение 2D LiDAR, дизайнеры могут обратиться к TIM781S-2174104 от SICK. Он имеет угол раскрытия 270 градусов, угловое разрешение 0.33 градуса и частоту сканирования 15 Гц. Он имеет безопасный рабочий диапазон 5 метров (рис. 2).
Ультразвуковые датчики могут точно обнаруживать пропускающие объекты, такие как стекло и светопоглощающие материалы, которые LiDAR не всегда может видеть. Ультразвуковые датчики также менее восприимчивы к помехам от высокой запыленности, дыма, влажности и других условий, которые могут нарушить работу LiDAR. Однако ультразвуковые датчики чувствительны к помехам от шума окружающей среды, и дальность их обнаружения может быть более ограниченной, чем у LiDAR.
Ультразвуковые датчики, такие как TSPC-30S1-232 от Senix, могут дополнять LiDAR и другие датчики для AMR SLAM и безопасности. Оптимальная дальность действия составляет 3 метра по сравнению с 5 метрами для 2D LiDAR и 12 метрами для 3D LiDAR, описанными выше. Этот ультразвуковой датчик с температурной компенсацией имеет класс защиты IP68 и помещен в экологически герметичный корпус из нержавеющей стали (рис. 3).
Объединение датчиков обычно подразумевает использование нескольких дискретных датчиков. Но в некоторых случаях несколько датчиков объединяются в один блок.
Три датчика в одном
Визуальное восприятие с использованием пары камер для создания стереоскопических изображений плюс обработка изображений на основе искусственного интеллекта и машинного обучения может позволить AMR видеть фон, а также идентифицировать близлежащие объекты. Доступны датчики, включающие стереокамеры глубины, отдельную цветную камеру и IMU в одном блоке.
Стереокамеры глубины, такие как Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras используйте две камеры, разделенные известной базовой линией, для измерения глубины и расчета расстояния до объекта. Одним из ключей к точности является использование прочного стального каркаса, который обеспечивает точное расстояние между камерами даже в сложных промышленных условиях. Точность алгоритма восприятия глубины зависит от знания точного расстояния между двумя камерами.
Например, камера глубины модели 82635DSD455MP была оптимизирована для AMR и аналогичных платформ, а расстояние между камерами увеличено до 95 мм (рис. 4). Это позволяет алгоритму расчета глубины снизить ошибку оценки до менее 2% на глубине 4 метра.
Камеры глубины D455 также оснащены отдельной цветной (RGB) камерой. Глобальный затвор со скоростью до 90 кадров в секунду на камере RGB, согласованный с полем зрения устройства формирования изображения глубины (FOV), улучшает соответствие между цветом и глубиной изображения, улучшая способность понимать окружение. Камеры глубины D455 оснащены IMU с шестью степенями свободы, что позволяет алгоритму расчета глубины учитывать скорость движения AMR и производить оценки динамической осведомленности о глубине.
Освещение и звучание пути
Мигающие огни и звуковые оповещения для людей, находящихся рядом с AMR, важны для безопасности AMR. Огни обычно имеют форму световой башни или световой полосы по бокам AMR. Они помогают роботу сообщать людям о предполагаемых действиях. Они также могут указывать состояние, такое как зарядка аккумулятора, действия по погрузке или разгрузке, намерение повернуть в новом направлении (например, сигналы поворота на автомобиле), аварийные условия и т. д.
Не существует стандартов для цвета света, скорости мигания или звуковых сигналов. Они могут различаться у разных производителей AMR и часто разрабатываются с учетом конкретных видов деятельности на предприятии, где работает AMR. Световые полосы доступны со встроенными механизмами звукового оповещения и без них. Например, модель TLF100PDLBGYRAQP от Banner Engineering включает в себя герметичный звуковой элемент с 14 выбираемыми тонами и регулировкой громкости (рис. 5).
Материально-техническое обеспечение
AMR работают как часть более крупных операций и часто требуют интеграции с программным обеспечением планирования ресурсов предприятия (ERP), системы управления производством (MES) или системы управления складом (WMS). Коммуникационный модуль AMR в сочетании с такими датчиками, как считыватели штрих-кодов и RFID, позволяют тесно интегрировать AMR в корпоративные системы.
Когда требуется устройство считывания штрих-кода, дизайнеры могут обратиться к устройству V430-F000W12M-SRP от Omron, которое может декодировать 1D и 2D штрих-коды на этикетках или штрих-коды прямой маркировки деталей (DPM). Он включает в себя автофокусировку с переменным расстоянием, широкоугольный объектив, 1.2-мегапиксельный сенсор, встроенную подсветку и высокоскоростную обработку.
DLP-RFID2 от DLP Design — это недорогой компактный модуль для считывания и записи высокочастотных (HF) меток RFID-транспондера. Он также может считывать уникальные идентификаторы (UDI) до 15 тегов одновременно и может быть настроен на использование внутренней или внешней антенны. Он имеет диапазон рабочих температур от 0°C до +70°C, что делает его пригодным для использования на производственных и логистических объектах Индустрии 4.0.
Заключение
Объединение датчиков является важным инструментом поддержки SLAM и безопасности при AMR. В ожидании R15.08-3, который может включать ссылки на объединение датчиков и более обширное тестирование и проверку стабильности AMR, в этой статье были рассмотрены некоторые текущие стандарты и лучшие практики по реализации объединения датчиков в AMR. Это вторая статья в серии, состоящей из двух частей. В первой части была рассмотрена безопасная и эффективная интеграция AMR в операции Индустрии 4.0 для получения максимальной выгоды.