ห้าเทคโนโลยีการจัดตำแหน่งของหุ่นยนต์มือถืออัจฉริยะ

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการตรวจจับ เทคโนโลยีอัจฉริยะ และเทคโนโลยีการประมวลผล หุ่นยนต์เคลื่อนที่อัจฉริยะจะสามารถแสดงบทบาทของมนุษย์ในการผลิตและชีวิต อะไรคือประเด็นหลักของเทคโนโลยีการกำหนดตำแหน่งหุ่นยนต์เคลื่อนที่? สรุปได้ว่าในปัจจุบัน หุ่นยนต์เคลื่อนที่ส่วนใหญ่มีเทคโนโลยีการกำหนดตำแหน่งทั้งห้านี้

เทคโนโลยีการนำทางและกำหนดตำแหน่งอัลตราโซนิกสำหรับหุ่นยนต์เคลื่อนที่

หลักการทำงานของการนำทางและการวางตำแหน่งด้วยอัลตราโซนิกก็คล้ายกับเลเซอร์และอินฟราเรด โดยปกติคลื่นอัลตราโซนิกจะถูกปล่อยออกมาจากโพรบส่งสัญญาณของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและคลื่นอัลตราโซนิกจะกลับสู่อุปกรณ์รับเมื่อพบกับสิ่งกีดขวางในตัวกลาง

โดยการรับสัญญาณสะท้อนอัลตราโซนิกที่ส่งด้วยตัวเองและคำนวณระยะการขยายพันธุ์ตามความต่างของเวลาและความเร็วการแพร่กระจายของการส่งสัญญาณอัลตราโซนิกและการรับเสียงสะท้อนสามารถหาระยะห่างจากสิ่งกีดขวางไปยังหุ่นยนต์ได้นั่นคือมีสูตร : S=ทีวี / 2 โดยที่ T - ความแตกต่างของเวลาระหว่างการส่งคลื่นอัลตราโซนิกและการรับสัญญาณ; V - ความเร็วคลื่นของคลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายในตัวกลาง

แน่นอน หุ่นยนต์เคลื่อนที่จำนวนมากใช้อุปกรณ์ส่งและรับแยกกันในเทคโนโลยีการนำทางและการกำหนดตำแหน่ง อุปกรณ์รับสัญญาณหลายตัวถูกจัดเรียงไว้ในแผนที่สิ่งแวดล้อม และติดตั้งโพรบส่งสัญญาณบนหุ่นยนต์เคลื่อนที่

ในการนำทางและการวางตำแหน่งของหุ่นยนต์เคลื่อนที่ เป็นการยากที่จะได้รับข้อมูลสภาพแวดล้อมโดยรอบอย่างเต็มที่ เนื่องจากข้อบกพร่องของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เช่น การสะท้อนแบบสเปกตรัมและมุมลำแสงที่จำกัด ดังนั้น ระบบเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกที่ประกอบด้วยเซ็นเซอร์หลายตัวจึงมักใช้เพื่อสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมที่สอดคล้องกัน ข้อมูลที่รวบรวมโดยเซ็นเซอร์จะถูกส่งไปยังระบบควบคุมของหุ่นยนต์เคลื่อนที่ผ่านการสื่อสารแบบอนุกรม จากนั้นระบบควบคุมจะใช้อัลกอริธึมบางอย่างในการประมวลผลข้อมูลที่สอดคล้องกันตามสัญญาณที่รวบรวมและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จัดตั้งขึ้น และสามารถรับข้อมูลสภาพแวดล้อมตำแหน่งของหุ่นยนต์ได้

เนื่องจากข้อดีของต้นทุนต่ำ อัตราการรับข้อมูลที่รวดเร็ว และความละเอียดในระดับสูง เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจึงถูกใช้อย่างกว้างขวางในการนำทางและการวางตำแหน่งของหุ่นยนต์เคลื่อนที่มาเป็นเวลานาน ยิ่งกว่านั้น ไม่จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีภาพที่ซับซ้อนในการรวบรวมข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงมีช่วงความเร็วที่รวดเร็วและประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ที่ดี

เทคโนโลยีการนำทางด้วยภาพและการวางตำแหน่งของหุ่นยนต์เคลื่อนที่

ในระบบนำทางและกำหนดตำแหน่งด้วยภาพ โหมดการนำทางของการติดตั้งกล้องติดรถยนต์ในหุ่นยนต์ตามวิสัยทัศน์ในท้องถิ่นนั้นใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในและต่างประเทศ ในโหมดการนำทางนี้ อุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ตรวจจับจะถูกโหลดไว้บนตัวหุ่นยนต์ และการตัดสินใจระดับสูง เช่น การจดจำภาพและการวางแผนเส้นทางจะเสร็จสิ้นโดยคอมพิวเตอร์ควบคุมออนบอร์ด

ระบบนำทางและกำหนดตำแหน่งด้วยภาพส่วนใหญ่ประกอบด้วย: กล้อง (หรือเซ็นเซอร์ภาพ CCD), อุปกรณ์แปลงสัญญาณวิดีโอเป็นดิจิทัล, ตัวประมวลผลสัญญาณที่รวดเร็วตาม DSP, คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วง ฯลฯ ในปัจจุบัน ระบบหุ่นยนต์จำนวนมากใช้เซ็นเซอร์รับภาพ CCD องค์ประกอบพื้นฐานคือแถวขององค์ประกอบการสร้างภาพซิลิกอน องค์ประกอบที่ไวต่อแสงและอุปกรณ์ถ่ายโอนประจุได้รับการกำหนดค่าบนวัสดุพิมพ์ ด้วยการถ่ายโอนค่าใช้จ่ายตามลำดับ สัญญาณวิดีโอของพิกเซลหลายพิกเซลจะถูกลบออกจากการแบ่งปันเวลาและตามลำดับ ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของภาพที่รวบรวมโดยเซ็นเซอร์ CCD แบบพื้นที่สามารถมีได้ตั้งแต่ 32 × 32 ถึง 1024 × 1024 พิกเซล เป็นต้น

หลักการทำงานของระบบนำทางและกำหนดตำแหน่งด้วยภาพคือการประมวลผลสภาพแวดล้อมรอบ ๆ หุ่นยนต์แบบออปติคัล ขั้นแรก ใช้กล้องเพื่อรวบรวมข้อมูลภาพ บีบอัดข้อมูลที่รวบรวม แล้วป้อนกลับไปยังระบบย่อยการเรียนรู้ที่ประกอบด้วยโครงข่ายประสาทเทียมและวิธีการทางสถิติ จากนั้นระบบย่อยการเรียนรู้จะเชื่อมต่อข้อมูลภาพที่รวบรวมไว้กับตำแหน่งจริงของหุ่นยนต์ เพื่อให้ระบบนำทางอัตโนมัติและฟังก์ชั่นการวางตำแหน่งหุ่นยนต์สมบูรณ์

ระบบกำหนดตำแหน่งทั่วโลก

ในปัจจุบัน ในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการนำทางหุ่นยนต์อัจฉริยะและเทคโนโลยีการกำหนดตำแหน่ง โดยทั่วไปแล้วจะใช้วิธีการกำหนดตำแหน่งไดนามิกส่วนต่างช่วงหลอก ตัวรับอ้างอิงและตัวรับแบบไดนามิกใช้เพื่อสังเกตดาวเทียม GPS สี่ดวงร่วมกัน และสามารถรับพิกัดตำแหน่งสามมิติของหุ่นยนต์ในช่วงเวลาหนึ่งและช่วงเวลาหนึ่งได้โดยใช้อัลกอริธึมบางอย่าง ตำแหน่งไดนามิกที่แตกต่างกันช่วยขจัดข้อผิดพลาดของนาฬิกาดาวเทียม สำหรับผู้ใช้ที่อยู่ห่างจากสถานีอ้างอิง 1,000 กม. สามารถขจัดข้อผิดพลาดของนาฬิกาดาวเทียมและข้อผิดพลาดของชั้นบรรยากาศ ดังนั้นจึงสามารถปรับปรุงความแม่นยำของตำแหน่งแบบไดนามิกได้อย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ในการนำทางด้วยมือถือ ความแม่นยำของตำแหน่งเครื่องรับ GPS บนมือถือได้รับผลกระทบจากสภาพของสัญญาณดาวเทียมและสภาพแวดล้อมของถนน ตลอดจนข้อผิดพลาดของนาฬิกา ข้อผิดพลาดในการแพร่กระจาย เสียงของเครื่องรับ และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย ดังนั้นความแม่นยำของตำแหน่งและความน่าเชื่อถือของการนำทางด้วย GPS เพียงอย่างเดียวจึงต่ำ ดังนั้นเข็มทิศแม่เหล็กและดิสก์รหัสแสงและข้อมูล GPS สำหรับการนำทาง นอกจากนี้ ระบบนำทาง GPS ไม่เหมาะสำหรับระบบนำทางหุ่นยนต์ในร่มหรือใต้น้ำ และระบบหุ่นยนต์ที่มีตำแหน่งที่แม่นยำสูง

เทคโนโลยีการนำทางและการกำหนดตำแหน่งสะท้อนแสงสำหรับหุ่นยนต์เคลื่อนที่

วิธีการกำหนดตำแหน่งสะท้อนแสงแบบทั่วไปและการกำหนดตำแหน่งส่วนใหญ่ใช้เลเซอร์หรือเซ็นเซอร์อินฟราเรดในการวัดระยะทาง ทั้งเลเซอร์และอินฟราเรดใช้เทคโนโลยีการสะท้อนแสงสำหรับการนำทางและการวางตำแหน่ง

ระบบกำหนดตำแหน่งเลเซอร์ทั่วโลกประกอบด้วยกลไกการหมุนด้วยเลเซอร์ กระจก อุปกรณ์รับโฟโตอิเล็กทริก และอุปกรณ์เก็บข้อมูลและส่งข้อมูล

ระหว่างการทำงาน เลเซอร์จะถูกปล่อยออกมาทางกลไกกระจกที่หมุนได้ เมื่อสแกนป้ายถนนสหกรณ์ที่ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสงย้อนหลัง แสงสะท้อนจะถูกประมวลผลโดยเครื่องรับโฟโตอิเล็กทริกเป็นสัญญาณการตรวจจับ เริ่มโปรแกรมรับข้อมูล อ่านข้อมูลดิสก์โค้ดของกลไกการหมุน (ค่ามุมที่วัดได้ของเป้าหมาย) แล้วส่งไปยังคอมพิวเตอร์ส่วนบนเพื่อประมวลผลข้อมูลผ่านการสื่อสาร ตามตำแหน่งที่ทราบและข้อมูลที่ตรวจพบของป้ายจราจร สามารถคำนวณตำแหน่งปัจจุบันและทิศทางของเซ็นเซอร์ในระบบพิกัดป้ายถนนได้ เพื่อให้บรรลุ วัตถุประสงค์ของการนำทางและการวางตำแหน่งเพิ่มเติม

ระยะเลเซอร์มีข้อดีของลำแสงแคบ, ความขนานที่ดี, การกระเจิงขนาดเล็กและความละเอียดของทิศทางที่หลากหลาย แต่ยังถูกรบกวนอย่างมากจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ดังนั้นวิธีการแยกสัญญาณที่รวบรวมไว้เมื่อใช้การวัดระยะด้วยเลเซอร์ก็เป็นปัญหาใหญ่เช่นกัน นอกจากนี้ เลเซอร์ยังมีพื้นที่ตาบอด ดังนั้น จึงเป็นเรื่องยากที่จะรับรู้การนำทางและการวางตำแหน่งด้วยเลเซอร์เพียงอย่างเดียว ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม โดยทั่วไปจะใช้ในการตรวจจับภาคสนามอุตสาหกรรมภายในช่วงที่กำหนด เช่น การตรวจจับรอยร้าวของท่อ

เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยอินฟราเรดมักใช้ในระบบการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางของหุ่นยนต์หลายข้อต่อเพื่อสร้างพื้นที่ขนาดใหญ่ของหุ่นยนต์"ผิวบอบบาง" ซึ่งครอบคลุมพื้นผิวของแขนหุ่นยนต์และสามารถตรวจจับวัตถุต่าง ๆ ที่พบในการทำงานของ แขนหุ่นยนต์

เซ็นเซอร์อินฟราเรดทั่วไปประกอบด้วยไดโอดเปล่งแสงแบบโซลิดสเตตที่สามารถปล่อยแสงอินฟราเรดและโฟโตไดโอดแบบโซลิดสเตตที่ใช้เป็นเครื่องรับ สัญญาณมอดูเลตจะถูกส่งโดยหลอดเปล่งแสงอินฟราเรด และหลอดไวแสงอินฟราเรดจะรับสัญญาณมอดูเลตอินฟราเรดที่สะท้อนจากเป้าหมาย การกำจัดการรบกวนของแสงอินฟราเรดโดยรอบได้รับการรับรองโดยการปรับสัญญาณและตัวกรองอินฟราเรดพิเศษ ให้สัญญาณเอาท์พุต VO แทนแรงดันเอาต์พุตของความเข้มแสงสะท้อน จากนั้น VO คือฟังก์ชันของระยะห่างระหว่างโพรบกับชิ้นงาน: VO=f (x, P) โดยที่ p - ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของชิ้นงาน P สัมพันธ์กับสีพื้นผิวและความหยาบของชิ้นงาน X - ระยะห่างระหว่างโพรบกับชิ้นงาน

เมื่อชิ้นงานเป็นเป้าหมายที่คล้ายกันโดยมีค่า p เท่ากัน X และ VO จะสัมพันธ์กันทีละรายการ X สามารถรับได้โดยการสอดแทรกข้อมูลการทดลองของการวัดระยะใกล้ของชิ้นงานต่างๆ ด้วยวิธีนี้ ตำแหน่งของหุ่นยนต์จากวัตถุเป้าหมายสามารถวัดได้ด้วยเซ็นเซอร์อินฟราเรด จากนั้นหุ่นยนต์เคลื่อนที่สามารถนำทางและวางตำแหน่งด้วยวิธีการประมวลผลข้อมูลอื่นๆ

แม้ว่าการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์อินฟราเรดจะมีข้อดีของความไวสูง โครงสร้างที่เรียบง่าย และต้นทุนต่ำ เนื่องจากความละเอียดจากมุมสูงและความละเอียดระยะต่ำ มักใช้เป็นเซ็นเซอร์ความใกล้ชิดในหุ่นยนต์เคลื่อนที่เพื่อตรวจจับสิ่งกีดขวางที่กำลังเข้าใกล้หรือเคลื่อนไหวอย่างกะทันหัน ซึ่งสะดวก เพื่อให้คนหุ่นยนต์หยุดสิ่งกีดขวางในกรณีฉุกเฉิน

เทคโนโลยีสแลม

องค์กรหุ่นยนต์บริการชั้นนำในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้เทคโนโลยีสแลม เทคโนโลยีสแลมคืออะไร? กล่าวโดยย่อ เทคโนโลยี slam หมายถึงกระบวนการทั้งหมดของการวางตำแหน่งหุ่นยนต์ การทำแผนที่ และการวางแผนเส้นทางในสภาพแวดล้อมที่ไม่รู้จัก

Slam (การโลคัลไลเซชันและการทำแผนที่พร้อมกัน) เนื่องจากมีการเสนอในปี 1988 ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อศึกษาความฉลาดของการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ สำหรับสภาพแวดล้อมในร่มที่ไม่รู้จักโดยสิ้นเชิง ซึ่งติดตั้งเซ็นเซอร์หลัก เช่น lidar เทคโนโลยี slam สามารถช่วยหุ่นยนต์สร้างแผนที่สภาพแวดล้อมในร่มและช่วยให้หุ่นยนต์เดินได้อย่างอิสระ

ปัญหา SLAM สามารถอธิบายได้ดังนี้: หุ่นยนต์เริ่มเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่ไม่รู้จักในสภาพแวดล้อมที่ไม่รู้จัก ระบุตำแหน่งตัวเองตามการประมาณตำแหน่งและข้อมูลเซ็นเซอร์ และสร้างแผนที่ส่วนเพิ่มในเวลาเดียวกัน

แนวทางการนำเทคโนโลยีสแลมไปใช้งานส่วนใหญ่ประกอบด้วย vSLAM, WiFi slam และ lidar slam

1. VSLAM (วิชวล สแลม)

หมายถึงการนำทางและการสำรวจด้วยกล้องความลึก เช่น กล้องและ Kinect ในสภาพแวดล้อมในร่ม หลักการทำงานของมันคือการประมวลผลด้วยแสงในสภาพแวดล้อมโดยรอบของหุ่นยนต์ ประการแรก ใช้กล้องเพื่อรวบรวมข้อมูลภาพ บีบอัดข้อมูลที่รวบรวม แล้วป้อนกลับไปยังระบบย่อยการเรียนรู้ที่ประกอบด้วยโครงข่ายประสาทเทียมและวิธีการทางสถิติ จากนั้นระบบย่อยการเรียนรู้จะเชื่อมต่อข้อมูลภาพที่รวบรวมไว้กับตำแหน่งจริงของ หุ่นยนต์ ทำหน้าที่นำทางและกำหนดตำแหน่งอัตโนมัติของหุ่นยนต์ให้สมบูรณ์

อย่างไรก็ตาม vSLAM ในอาคารยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและอยู่ไกลจากการใช้งานจริง ในแง่หนึ่ง การคำนวณมีมากเกินไป ซึ่งต้องใช้ระบบหุ่นยนต์ประสิทธิภาพสูง ในทางกลับกัน แผนที่ที่สร้างโดย vSLAM (ส่วนใหญ่เป็น point clouds) ไม่สามารถใช้สำหรับการวางแผนเส้นทางของหุ่นยนต์ ซึ่งจำเป็นต้องมีการสำรวจและวิจัยเพิ่มเติม

2．Wifi－สแลม

หมายถึงการใช้อุปกรณ์ตรวจจับต่างๆ ในสมาร์ทโฟนเพื่อกำหนดตำแหน่ง รวมถึง WiFi, GPS, ไจโรสโคป, มาตรความเร่งและเครื่องวัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็ก และการวาดภาพแผนที่ในอาคารที่แม่นยำจากข้อมูลที่ได้รับผ่านการเรียนรู้ของเครื่อง การจดจำรูปแบบ และอัลกอริธึมอื่นๆ แอปเปิลเข้าซื้อกิจการผู้ให้บริการเทคโนโลยีนี้ในปี 2556 ไม่ทราบว่า Apple ใช้เทคโนโลยี WiFi slam กับ iPhone หรือไม่ ดังนั้นผู้ใช้ iPhone ทุกคนจึงเทียบเท่ากับการถือหุ่นยนต์วาดรูปขนาดเล็ก ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการวางตำแหน่งที่แม่นยำยิ่งขึ้นไม่เพียงแต่เอื้อต่อแผนที่เท่านั้น แต่ยังทำให้แอปพลิเคชันที่ขึ้นกับตำแหน่ง (LBS) ทั้งหมดมีความแม่นยำมากขึ้น

3．ลิดาร์ สแลม

หมายถึงการใช้ลิดาร์เป็นเซ็นเซอร์เพื่อรับข้อมูลแผนที่ เพื่อให้หุ่นยนต์สามารถระบุตำแหน่งและการสร้างแผนที่แบบซิงโครนัสได้ เท่าที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีนั้น มันค่อนข้างจะเติบโตเต็มที่หลังจากการตรวจสอบหลายปี แต่คอขวดของต้นทุนที่สูงของ Lidar' จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขอย่างเร่งด่วน

รถยนต์ไร้คนขับของ Google ใช้เทคโนโลยีนี้ Lidar ที่ติดตั้งบนหลังคามาจากบริษัท velodyne ของสหรัฐอเมริกาและขายได้มากกว่า $70000 Lidar นี้สามารถปล่อยลำแสงเลเซอร์ 64 ลำไปยังบริเวณโดยรอบเมื่อหมุนด้วยความเร็วสูง เมื่อเลเซอร์สัมผัสวัตถุรอบข้างแล้วกลับคืน จะสามารถคำนวณระยะห่างระหว่างตัวรถกับวัตถุรอบข้างได้ จากนั้นระบบคอมพิวเตอร์จะวาดแผนที่ภูมิประเทศ 3 มิติแบบละเอียดตามข้อมูลเหล่านี้ จากนั้นจึงรวมเข้ากับแผนที่ความละเอียดสูงเพื่อสร้างแบบจำลองข้อมูลต่างๆ สำหรับระบบคอมพิวเตอร์ออนบอร์ด Lidar คิดเป็นครึ่งหนึ่งของราคารถยนต์ทั้งหมด ซึ่งอาจเป็นหนึ่งในสาเหตุที่ทำให้ยานพาหนะไร้คนขับของ Google' ไม่สามารถผลิตจำนวนมากได้

Lidar มีลักษณะของทิศทางที่แข็งแกร่งซึ่งสามารถรับรองความถูกต้องของการนำทางและปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมในร่มได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ลิดาร์สแลมยังทำได้ไม่ดีในด้านการนำทางในร่มของหุ่นยนต์ เนื่องจากราคาของลิดาร์แพงเกินไป