Eftir því sem vélmenni verða sjálfbjargari- verða þau að sigla um umhverfi sitt af meira sjálfstæði og áreiðanleika. Sjálfstýrðar dráttarvélar, landbúnaðaruppskeruvélar og sáningarvélar verða að fara varlega í gegnum ræktunarakra á meðan sjálfkeyrandi sendiferðabílar verða að fara örugglega yfir göturnar til að setja pakka á réttan stað. Í fjölmörgum forritum þurfa sjálfstæðar farsímavélmenni (AMR) mjög nákvæmar staðsetningaruppsprettur til að ljúka þeim verkum sem þau eru hönnuð fyrir á öruggan og farsælan hátt.
Til að ná slíkri nákvæmni þarf tvö sett af staðsetningargetu. Eitt er að skilja hlutfallslega stöðu sjálfs síns við aðra hluti. Þetta veitir mikilvæg inntak til að skilja heiminn í kringum hann og, í augljósasta tilfelli, forðast hindranir sem eru bæði kyrrstæðar og á hreyfingu. Þessi kraftmikla hreyfing krefst mikils stafla af leiðsöguskynjurum eins og myndavélum, ratsjá, lidar og stuðningshugbúnaði til að vinna úr þessum merkjum og gefa AMR rauntímastefnu.
Annað sett af getu er fyrir AMR að skilja nákvæma líkamlega staðsetningu (eða algera staðsetningu) í heiminum svo það geti nákvæmlega og endurtekið siglt um leið sem var forrituð inn í tækið. Augljóst notkunartilvik hér er landbúnaður með mikilli nákvæmni, þar sem ýmsir AMRs þurfa að ferðast eftir sömu þröngu leiðinni í marga mánuði til að planta, vökva og uppskera uppskeru, þar sem hver leið þarf að AMR til að vísa til sama nákvæma stað í hvert skipti.
Þetta krefst annars konar leiðsögugetu, sem byrjar með Global Navigation Satellite Systems (GNSS), sem allt vistkerfi skynjara og hugbúnaðar nýtir. Augmenting GNSS eru leiðréttingarmöguleikar eins og RTK og SSR sem hjálpa til við að keyra 100x meiri nákvæmni en GNSS eitt og sér fyrir opinn -himinn forrit, og tregðumælingareiningar ásamt skynjarasamrunahugbúnaði til að fletta þar sem GNSS er ekki tiltækt (dauðreikningur).
Áður en við kafum ofan í þessa tækni skulum við eyða mínútu í að skoða notkunartilvik þar sem bæði afstæð og algjör staðsetning er nauðsynleg til að AMR geti sinnt starfi sínu.
Vélfærafræðiforrit sem krefjast hlutfallslegrar og algerrar staðsetningar
AMRs sýna hvað mönnum þykir sjálfsagt - meðfæddan hæfileika til að staðsetja sig nákvæmlega í heiminum og grípa til nákvæmra aðgerða byggðar á þeim upplýsingum. Því fjölbreyttari sem forritin eru fyrir AMR, því meira uppgötvum við hvers konar aðgerðir krefjast mikillar nákvæmni. Nokkur dæmi eru:
Sjálfvirkni í landbúnaði: Í landbúnaði verða AMR sífellt algengari fyrir verkefni eins og gróðursetningu, uppskeru og eftirlit með uppskeru. Þessi vélmenni nota algjöra staðsetningu, venjulega í gegnum GPS, til að sigla um stór og oft ójöfn svæði með nákvæmni. Þetta tryggir að þeir geti farið skipulega yfir víðfeðmt svæði og snúið aftur á tiltekna staði eftir þörfum. Hins vegar, einu sinni í nálægð við ræktun eða innan tiltekins svæðis, treysta AMRs á hlutfallslega staðsetningu fyrir verkefni sem krefjast meiri nákvæmni, svo sem að tína ávexti sem kunna að hafa vaxið eða breytt stöðu síðan AMR heimsótti það síðast. Með því að sameina báðar staðsetningaraðferðirnar geta þessi vélmenni starfað á skilvirkan hátt í krefjandi og breytilegu umhverfi sem er dæmigert fyrir landbúnaðarsvið.
Síðasta-mílusending í borgarstillingum: AMR er að breyta síðustu-mílu sendingu í borgarumhverfi með því að flytja vörur sjálfstætt frá dreifingarmiðstöðvum til lokaáfangastaða. Þessi vélmenni nota algera staðsetningu til að sigla um borgargötur, húsasund og flókið skipulag í þéttbýli og tryggja að þau fylgi bestu leiðum á meðan þau forðast umferð og fylgja afhendingaráætlunum. Þegar komið er í grennd við afhendingarstaðinn mun AMR einnig nota hlutfallslega staðsetningu til að stjórna breytilegum eða óvæntum hindrunum, svo sem ökutæki sem er tvöfalt lagt á götunni. Þessi tvíþætta nálgun gerir AMR-tækjum kleift að takast á við ranghala borgarlandslags og gera nákvæmar sendingar beint að dyrum viðskiptavina.
Sjálfvirkni byggingarsvæðis: Á byggingarsvæðum eru AMRs notaðir til að tryggja að verkefnið sé byggt í samræmi við nákvæmar forskriftir sem verkfræðingarnir tilnefndu. Þeir aðstoða einnig við verkefni eins og flutning á efni og kortlagningu eða könnun á umhverfi. Þessar síður spanna oft stór svæði með stöðugt breytilegt umhverfi, sem krefst þess að AMRs noti algera staðsetningu til að sigla og viðhalda stefnumörkun á heildarverkefnissvæðinu. Hlutfallsleg staðsetning kemur við sögu þegar AMRs framkvæma verkefni sem krefjast samskipta við kraftmikla þætti, svo sem að forðast annan búnað eða jafnvel starfsfólk á staðnum. Samsetning beggja staðsetningarkerfa gerir AMR-tækjum kleift að stuðla á áhrifaríkan hátt að flóknu og kraftmiklu eðli byggingarverkefna, sem eykur skilvirkni og öryggi.
Sjálfstætt vegaviðhald: AMR eru í auknum mæli notuð í viðhaldsverkefnum á vegum eins og gangstéttaskoðun, sprunguþéttingu og línumálun. Þessi vélmenni nota algjöra staðsetningu til að ferðast meðfram þjóðvegum eða akbrautum, tryggja að þau haldist á réttri leið yfir langar vegalengdir og geti nákvæmlega fanga tiltekna staði þar sem viðhald þarf að eiga sér stað. Þegar þessi viðhaldsverkefni eru framkvæmt, skipta þeir yfir í hlutfallslega staðsetningu til að greina nákvæmlega og takast á við sérstakar ófullkomleika á vegum, mála akreinamerkingar af nákvæmni eða sigla í kringum hindranir. Þessi tvöfalda hæfileiki gerir AMR-tækjum kleift að stjórna vegaviðhaldsverkefnum á skilvirkan hátt á sama tíma og það dregur úr þörf fyrir mannastarfsfólk til að starfa í hættulegu umhverfi við vegakantinn, sem bætir öryggi og framleiðni.
Umhverfisvöktun og verndun: Í umhverfi utandyra er AMR oft notað til umhverfisvöktunar og verndaraðgerða eins og til að fylgjast með dýrum, mengunargreiningu og kortlagningu búsvæða. Þessi vélmenni nýta sér algera staðsetningu til að sigla um víðfeðm náttúrusvæði, frá skógum til strandsvæða, tryggja alhliða yfirferð yfir landslagið og gera kleift að fanga nákvæmar staðkannanir og kortlagningu. AMRs geta framkvæmt verkefni eins og að taka há-upplausnarmyndir, safna sýnum eða fylgjast með hreyfingum dýra með nákvæmri nákvæmni og geta lagt yfir þessi sýni með tímanum á samræmdan hátt.
Í öllum ofangreindum dæmum er þörf á algerri staðsetningarnákvæmni sem er mun minni en metri til að forðast hugsanlegar skelfilegar afleiðingar. Meiðsli starfsmanna, umtalsvert vörutap og kostnaðarsamar tafir eru allar líklegar án nákvæmrar staðsetningu. Í meginatriðum, hvar sem AMR þarf að starfa innan nokkurra sentímetra mun krefjast þess að það hafi bæði hlutfallslega og alger staðsetningarlausnir.
Tækni fyrir hlutfallslega staðsetningu
AMRs nýta fjölda skynjara til að staðsetja sig í tengslum við aðra hluti í umhverfi sínu. Þar á meðal eru:
Myndavélar: Myndavélar virka sem sjónskynjarar sjálfstæðra hreyfanlegra vélmenna og gefa þeim strax mynd af umhverfi sínu svipað og mannsaugu vinna. Þessi tæki fanga ríkar sjónrænar upplýsingar sem vélmenni geta notað til að greina hluti, forðast hindranir og kortlagningu umhverfisins. Hins vegar eru myndavélar háðar fullnægjandi lýsingu og geta verið hamlað af slæmum veðurskilyrðum eins og þoku, rigningu eða myrkri. Til að bregðast við þessum takmörkunum eru myndavélar oft pöraðar við -innrauða skynjara eða búnar nætursjónargetu, sem gerir vélmennum kleift að sjá við lítil-birtuskilyrði. Myndavélar eru lykilþáttur í sjónrænum fjarlægðarmælingum, ferli þar sem breytingar á stöðu með tímanum eru reiknaðar út með því að greina myndavélarmyndir í röð. Almennt séð þurfa myndavélar alltaf verulega vinnslu til að breyta 2-D myndum sínum í 3-D mannvirki.
Ratsjárskynjarar: Ratsjárskynjarar starfa með því að senda frá sér púlsandi útvarpsbylgjur sem endurkastast af hlutum og veita upplýsingar um hraða, fjarlægð og hlutfallslega stöðu hlutarins. Þessi tækni er öflug og getur virkað á áhrifaríkan hátt við ýmsar umhverfisaðstæður, þar á meðal rigningu, þoku og ryk, þar sem myndavélar og lidar gætu átt í erfiðleikum. Hins vegar bjóða ratsjárskynjarar venjulega dreifðari gögn og lægri upplausn miðað við aðrar gerðir skynjara. Þrátt fyrir þetta eru þeir ómetanlegir fyrir áreiðanleika þeirra við að greina hraða hluta á hreyfingu, sem gerir þá sérstaklega gagnlega í kraftmiklu umhverfi þar sem skilningur á hreyfingu annarra aðila er mikilvægur.
Lidar skynjarar: Lidar, eða Light Detection and Ranging, er skynjaratækni sem notar laserpúlsa til að mæla fjarlægðir með því að tímasetja endurkast ljóss frá hlutum. Með því að skanna umhverfið með hröðum leysipúlsum, býr lidar til mjög nákvæm, nákvæm 3D kort af umhverfinu. Þetta gerir það að mikilvægu tæki fyrir samtímis staðsetningu og kortlagningu (SLAM), þar sem vélmennið smíðar kort af óþekktu umhverfi á meðan það heldur utan um staðsetningu þess innan þess korts. lidar er þekkt fyrir nákvæmni sína og getu til að virka vel við mismunandi birtuskilyrði, þó það geti verið minna áhrifaríkt í rigningu, snjó eða þoku, þar sem vatnsdropar geta dreift leysigeislunum. Þrátt fyrir að vera dýr tækni er lidar vinsælt í sjálfvirkri siglingu vegna nákvæmni og áreiðanleika í flóknu umhverfi.
Ultrasonic skynjarar: Úthljóðsskynjarar virka með því að senda frá sér há-hljóðbylgjur sem endurkasta nálægum hlutum, þar sem skynjarinn mælir tímann sem það tekur fyrir bergmálið að koma aftur. Þetta gerir vélmenninu kleift að reikna út fjarlægðina að hlutum og hindrunum á vegi þess. Þessir skynjarar eru sérstaklega gagnlegir fyrir skynjun á stuttum-drægum og eru oft notaðir við hægfara-aðgerðir eins og að sigla í þröngum rýmum eins og göngum í vöruhúsum, eða fyrir nákvæmar hreyfingar eins og bryggju eða öryggisafrit. Úthljóðsskynjarar eru -hagkvæmir og virka vel við margvíslegar aðstæður, en takmarkað svið þeirra og hægari viðbragðstími samanborið við lidar og myndavélar gera það að verkum að þeir henta best fyrir tiltekið, stýrt umhverfi þar sem mikil nákvæmni er krafist í nálægð.
Grunnlínutæknin sem notuð er fyrir algera staðsetningu byrjar á GNSS (hugtakið sem inniheldur GPS og önnur gervihnattakerfi eins og GLONASS, Galileo og BeiDou). Í ljósi þess að GNSS hefur áhrif á andrúmsloftsaðstæður og gervihnattaósamræmi getur það gefið staðsetningu lausn sem er marga metra slökkt. Fyrir AMR sem krefjast nákvæmari leiðsagnar er þetta ekki nógu gott - þar með er tilkoma tækni sem kallast GNSS Corrections sem minnkar þessa villu niður í allt að einn sentímetra.
RTK: Rauntímahreyfifræði (RTK) notar net grunnstöðva með þekkta staðsetningu sem viðmiðunarpunkta til að leiðrétta staðsetningaráætlanir GNSS móttakara. Svo lengi sem AMR er í innan við 50 kílómetra fjarlægð frá grunnstöð og hefur áreiðanlegan samskiptatengil, getur RTK veitt áreiðanlega 1–2 sentímetra nákvæmni.
SSR eða PPP-RTK: State Space Representation (SSR), sem einnig er stundum kallað PPP-RTK, nýtir sér upplýsingar frá netkerfi grunnstöðvarinnar, en í stað þess að senda leiðréttingar beint frá staðbundinni stöð, myndar það villurnar yfir vítt landfræðilegt svæði. Niðurstaðan er breiðari þekjan sem leyfir vegalengdir langt umfram 50 km frá grunnstöð, en nákvæmni lækkar í 3-10 sentímetra eða meira eftir þéttleika og gæðum netsins.
Þó að þessar tvær aðferðir virki einstaklega vel þar sem GNSS merki eru tiltæk (almennt opinn himinn), munu margar AMRs ferðast frá berum himni, þar sem hindrun er á milli GNSS móttakarans á AMR og himins. Þetta getur gerst í göngum, bílastæðahúsum, aldingarði og borgarumhverfi. Þetta er þar sem Inertial Navigation Systems (INS) koma við sögu með Inertial Measurement Unit (IMU) og Sensor Fusion hugbúnaði.
IMU– IMU sameinar hröðunarmæla, gyroscopes og stundum segulmæla til að mæla línulega hröðun kerfis, hornhraða og segulsviðsstyrk, í sömu röð. Þetta eru mikilvæg gögn sem gera INS kleift að ákvarða staðsetningu, hraða og stefnu hlutar miðað við upphafspunkt í rauntíma-.
Saga IMU nær aftur til snemma á 20. öld, með rætur sínar í þróun gyroscopic tækja sem notuð eru í leiðsögukerfi fyrir skip og flugvélar. Fyrstu hagnýtu IMU-tækin voru þróuð í seinni heimsstyrjöldinni, fyrst og fremst til notkunar í flugskeytakerfi og síðar í geimáætluninni. Apollo-leiðangirnar byggðu til dæmis mjög á IMU fyrir siglingar í geimnum, þar sem hefðbundnar siglingaraðferðir voru ekki framkvæmanlegar. Í gegnum áratugina hefur IMU tækninni fleygt fram umtalsvert, knúin áfram af smæðun rafeindahluta og tilkomu ör-raf-rafvélatækni (MEMS) seint á 20. öld. Þessi þróun hefur leitt til fyrirferðarmeiri, hagkvæmari og nákvæmari IMUs, sem gerir kleift að samþætta þau í fjölbreytt úrval neytenda rafeindatækni, bílakerfa og iðnaðarforrita í dag.
Sensor Fusion– Skynjasamrunahugbúnaður er ábyrgur fyrir því að sameina gögn frá IMU, sem og öðrum skynjurum til að skapa samræmdan og nákvæman skilning á algerri staðsetningu AMR þegar GNSS er ekki tiltækt. Grunnútfærslurnar „fylla í eyðurnar“ í rauntíma- á milli þess að GNSS-merkið er sleppt og þar til það er tekið upp aftur af AMR. Nákvæmni skynjarasamrunahugbúnaðar fer eftir nokkrum þáttum, þar á meðal gæðum og kvörðun þeirra skynjara sem taka þátt, reikniritunum sem notaðir eru til samruna og tilteknu forritinu eða umhverfinu sem hann er notaður í. Fullkomnari skynjarasamrunahugbúnaður er fær um að krossa-samsvörun mismunandi skynjaraaðferðir, sem leiðir til betri staðsetningarnákvæmni en frá neinum af nemanum í lausninni sem vinnur einn.
RTK fyrir GNSS veitir mjög nákvæma heimild um algera staðsetningu fyrir sjálfstætt vélmenni. Án RTK eru mörg vélfærafræðiforrit einfaldlega ekki möguleg eða hagnýt. Frá byggingarkönnunarhjólum til sjálfvirkra dróna til afhendingar og sjálfstætt landbúnaðarverkfæri, eru fjölmargir AMR háðir sentimetra-nákvæmri algerri staðsetningu sem aðeins RTK getur veitt.
Sem sagt, RTK lausn er aðeins eins góð og netið á bak við hana. Stöðugar áreiðanlegar leiðréttingar krefjast mjög þétts nets af grunnstöðvum þannig að móttakarar séu alltaf innan nógu nálægt færi fyrir nákvæmar villuleiðréttingar. Því stærra sem netið er, því auðveldara er að fá leiðréttingar fyrir AMR hvar sem er. Þéttleiki einn og sér er ekki eini þátturinn. Netkerfi eru mjög flókin rauntímakerfi- og krefjast faglegrar vöktunar, mælinga og heilleikaathugunar til að tryggja að gögnin sem send eru til AMR séu nákvæm og áreiðanleg.
Hvað þýðir þetta allt fyrir þróunaraðila sjálfstæðra vélmenna? Að minnsta kosti þegar um er að ræða notkun utandyra er engin AMR fullkomin án RTK-knúins GNSS móttakara. Til að fá sem nákvæmustu lausnina ættu verktaki að treysta á þéttasta og áreiðanlegasta RTK netið. Og þar sem vélmenni verða að hreyfa sig oft inn og út úr ákjósanlegu GNSS-merkjaumhverfi, eins og fyrir sjálfkeyrandi sendiferðabíl, veitir RTK ásamt IMU umfangsmestu uppsprettu algerrar staðsetningar sem völ er á.
Engin tvö sjálfstætt vélfærafræðiforrit eru eins og hver einstök uppsetning krefst eigin blöndu af hlutfallslegum og algerum staðsetningarupplýsingum. Fyrir AMR utandyra morgundagsins er GNSS með öflugu RTK leiðréttingarneti hins vegar nauðsynlegur hluti af skynjarastokknum.