La fusione dei sensori migliora la navigazione e la sicurezza dei robot mobili autonomi
La filosofia alla base dell'Industry 5.0 è rappresentata dagli esseri umani che lavorano accanto ai robot alimentati dall'intelligenza artificiale (AI), con la visione che questi robot siano usati per supportare gli esseri umani, non per sostituirli. I robot mobili autonomi (AMR) possono migliorare la produttività, aumentare la sicurezza e consentire ai produttori di risparmiare notevoli costi. Per queste ragioni, l'adozione degli AMR si espanderà in quasi ogni settore. Tuttavia, prima che ciò accada, gli AMR devono superare diverse sfide, e una delle chiavi per superare queste sfide è l'integrazione di vari sensori e il campo emergente della sensor fusion. Questo articolo introdurrà lo sviluppo della tecnologia di sensor fusion e delle soluzioni correlate lanciate da onsemi.
Le prospettive applicative di AMR sono promettenti ma affrontano anche delle sfide
AMR ha caratteristiche applicative che possono ridurre i costi, migliorare la sicurezza e aumentare l'efficienza, motivo per cui sempre più industrie stanno iniziando ad adottarlo. Secondo i sondaggi, il mercato globale di AMR è stato valutato a 8,65 miliardi di dollari nel 2022 e il tasso di crescita annuale composto (CAGR) è previsto essere del 18,3% dal 2022 al 2028. Sebbene le prospettive di sviluppo di AMR siano promettenti, l'adozione di AMR deve anche affrontare molte sfide.
La sfida principale nell'adozione di AMR è la diversità delle applicazioni e degli ambienti in cui opera. Gli usi comuni di AMR includono magazzini, tecnologia agricola, paesaggistica commerciale, assistenza sanitaria, vendita al dettaglio intelligente, sicurezza e sorveglianza, consegna, inventario, e picking e sorting. In tutti questi diversi ambienti, ci si aspetta che gli AMR operino in sicurezza intorno alle persone.
Tuttavia, la complessità di questi scenari applicativi rende il lavoro degli AMR estremamente impegnativo. Come esseri umani, alcune situazioni sono date per scontate, ma gli AMR possono trovarle difficili da gestire. Ad esempio, immagina un robot per le consegne mentre consegna un pacco e vede una palla in mezzo al percorso. È probabile che il robot possa identificare la palla ed evitare di colpirla, ma è abbastanza intelligente da prevedere che un bambino possa correre a prenderla? Ci sono molte situazioni complesse come questa. Ad esempio, gli AMR possono utilizzare e riconoscere uno specchio riflettente a 90 gradi installato su un palo a bordo strada per osservare la situazione intorno a un angolo e prevedere il traffico in anticipo? Un AMR può capire che non dovrebbe camminare sul cemento appena versato? Queste sono cose comuni per gli esseri umani, ma rappresentano sfide per gli AMR.
Forse queste situazioni, che sono facilmente comprese dagli esseri umani, sono più difficili per i robot. Tuttavia, con i sensori giusti, gli AMR potrebbero essere in grado di rilevare oggetti alla luce solare intensa più facilmente degli esseri umani. Tuttavia, identificare il calcestruzzo appena versato e i liquidi versati potrebbe risultare difficile. Inoltre, bordi, scogliere, rampe e scale rappresentano sfide anche per gli AMR. Ci sono anche situazioni speciali, come quando qualcuno sabota deliberatamente l'AMR, che ispirerebbero la necessità di progettare sistemi di manovra di fuga. Risolvere molte delle sfide sopra menzionate richiederebbe all'AI di utilizzare modelli linguistici di ultima generazione (LLM) e vari tipi di sensori ad alte prestazioni.
Sensori ad alte prestazioni per AMR hanno ciascuno i propri vantaggi e svantaggi
Gli AMR possono utilizzare diversi tipi di sensori per rilevare l'ambiente, e questi sensori devono eseguire simultaneamente localizzazione e mappatura (SLAM) fornendo misurazioni di distanza e profondità. Metriche importanti dei sensori includono rilevamento degli oggetti, identificazione degli oggetti, riconoscimento del colore, risoluzione, consumo di energia, dimensione, costo, portata, gamma dinamica, velocità e capacità di operare in varie condizioni di illuminazione e meteorologiche.
I tipi di sensori che possono essere utilizzati per AMR includono l'immagine CMOS, il rilevamento della profondità a tempo di volo diretto (dToF) e indiretto (iToF), gli ultrasuoni, il radar, il posizionamento induttivo, la tecnologia Bluetooth® Low Energy (Bluetooth LE), l'inerziale e altri. Ogni tipo di sensore ha i propri vantaggi e svantaggi.
Ad esempio, il radar offre eccellenti prestazioni di portata e velocità in condizioni di scarsa illuminazione o di condizioni meteorologiche avverse, ma ha scarse capacità di rilevamento dei colori, costi iniziali più elevati e dimensioni relativamente grandi (un'importante considerazione per gli AMR). LiDAR, grazie al suo processo produttivo CMOS siliconico ad alto volume, ha un costo iniziale relativamente più basso e presta bene sia di notte che sotto la luce diretta del sole, ma è meno efficace nella classificazione degli oggetti. D'altra parte, i sensori di profondità iToF offrono una risoluzione eccellente e capacità di elaborazione a basso consumo energetico.
È chiaro che l'utilizzo di un singolo tipo di sensore da solo non può fornire tutte le informazioni di cui gli AMR hanno bisogno per affrontare tutte le sfide sopra menzionate. A seconda dell'applicazione e dell'ambiente, gli AMR avranno bisogno di diversi o addirittura di molteplici tipi di sensori. Questi sensori non operano in isolamento ma lavorano insieme in un processo noto come fusione sensoriale.
Come fanno i robot mobili autonomi a ottenere la fusione dei sensori
La fusione dei sensori è il processo di combinazione di due o più fonti di dati (da sensori e/o un algoritmo o un modello) per ottenere una migliore comprensione del sistema e del suo ambiente. La fusione dei sensori negli AMR è fondamentale in quanto offre maggiore affidabilità, ridondanza e, infine, sicurezza, assicurando che i risultati della valutazione siano più coerenti, accurati e affidabili.
La fusione dei sensori combina due funzionalità: raccolta dati e interpretazione dei dati. La fase di "interpretazione dei dati" nella fusione dei sensori richiede l'implementazione di un algoritmo o un modello. A volte i risultati della fusione dei sensori sono progettati per abitudini umane, come l'assistenza nelle auto, e a volte sono progettati per ulteriori applicazioni machine, come il riconoscimento facciale nei sistemi di sicurezza.
La fusione dei sensori presenta vari vantaggi, come la riduzione del rumore del segnale. La fusione di sensori omogenei può ridurre il rumore non correlato, mentre la fusione di sensori eterogenei può ridurre il rumore correlato. Per sua natura intrinseca, la fusione dei sensori migliora l'affidabilità attraverso la ridondanza. Poiché ci sono almeno due sensori, se i dati di un sensore vengono persi, la qualità della rilevazione può diminuire, ma poiché sono ancora disponibili i dati di altri sensori, non si verificherà un fallimento completo. La fusione dei sensori può anche essere utilizzata per stimare stati non misurati, ad esempio, quando un oggetto o una parte di un oggetto è occlusa alla vista da una telecamera, e quando un oggetto o una superficie riflette la luce da una telecamera all'altra, la fusione dei sensori mantiene un certo livello di prestazioni di rilevazione.
A causa di questi vantaggi e dell'adozione accelerata del mercato, ci sono alcune tendenze emergenti nella fusione dei sensori, tra cui l'uso di algoritmi potenziati dall'AI, il miglioramento del rilevamento e della classificazione degli oggetti, la combinazione della fusione dei sensori con modalità sensoriali multiple per la percezione collaborativa e la percezione ambientale in condizioni avverse. La fusione dei sensori può raggiungere una visuale a 360 gradi e consentire la calibrazione in tempo reale dei sensori, tra le altre funzioni.
Fornire una soluzione completa per la fusione dei sensori
La fusione dei sensori in AMR mira ad avere un impatto significativo sulle applicazioni industriali e di trasporto. Nel processo di avanzamento verso l'Industry 5.0, onsemi si impegna a fornire sensori e sottosistemi per garantire un'implementazione efficace. Le soluzioni di sottosistema di onsemi sono anche piuttosto diversificate, che vanno da sistemi di imaging ad alta risoluzione robusti a soluzioni di controllo motore ad alta potenza e di ricarica della batteria compatte ed efficienti, tutte costruite su decenni di esperienza nel settore automobilistico. Le soluzioni di onsemi lavorano insieme per garantire che lo sviluppo diventi più facile e che i robot industriali siano adattabili e affidabili a sufficienza per operare negli ambienti più difficili.
I robot mobili autonomi hanno funzioni simili ai veicoli autonomi e sono progetti complessi composti da più sottosistemi, permettendo ai robot di muoversi, osservare e operare in sicurezza con un'interazione umana minima. onsemi riduce questa complessità attraverso soluzioni affidabili di potenza intelligente e rilevamento, fornendo i blocchi costitutivi necessari per il tuo progetto.
Il fulcro della fusione dei sensori sono i sensori. Se i dati provenienti dai sensori non sono buoni, anche i migliori algoritmi non produrranno risultati di alta qualità. Fortunatamente, onsemi offre sensori e toolkit di classe mondiale per supportare la fusione dei sensori in AMR.
onsemi è leader nella tecnologia di rilevamento intelligente, offrendo un vasto portafoglio di sensori di immagine a otturatore rolling e global con prestazioni all'avanguardia in caratteristiche come la gamma dinamica e il risveglio al movimento, soddisfacendo i requisiti di varie possibili applicazioni finali, dai dispositivi indossabili e l'elettronica di consumo fino alle impegnative applicazioni industriali e automobilistiche.
Oltre ai sensori d’immagine, onsemi fornisce anche SiPM per il rilevamento della distanza (LiDAR). Questo portafoglio di prodotti include sensori ultrasonici, sensori induttivi e microcontrollori che supportano la tecnologia Bluetooth® LE, con supporto per AoA (Angolo di Arrivo) e AoD (Angolo di Partenza) per il rilevamento della posizione.
Un esempio specifico è l'NCV75215, un prodotto standard applicativo specifico (ASSP) per applicazioni di misurazione della distanza mediante ultrasuoni per il parcheggio. Può operare con sensori ultrasonici piezoelettrici per fornire la misurazione del tempo di volo della distanza degli ostacoli durante il parcheggio di veicoli/AMR. Presenta un'alta sensibilità e un funzionamento a basso rumore, consentendo il rilevamento da 0,25 m a 4,5 m su un palo standard di 75 mm, con la distanza minima effettiva determinata dalla lunghezza della riverberazione. In condizioni ideali, con circuiti esterni perfettamente regolati e abbinati, può essere raggiunta una distanza minima di 0,2 m, con l'effettiva gamma di rilevamento che dipende dal trasduttore ultrasonico piezoelettrico e dalle parti analogiche esterne.
Questo dispositivo pilota il trasduttore ultrasonico a una frequenza programmabile tramite un trasformatore. L'eco ricevuto viene amplificato, convertito in un segnale digitale, filtrato, rilevato e confrontato con una soglia dipendente dal tempo memorizzata in una RAM interna. La distanza dall'ostacolo è determinata dal tempo tra il burst di trasmissione e il riconoscimento dell'eco. La linea I/O bidirezionale integrata può essere utilizzata per la comunicazione con il master (ECU). Il master invia comandi sulla linea I/O al NCV75215, e i dati vengono riportati tramite la stessa linea.
Conclusione
I robot mobili autonomi (AMR) hanno numerosi casi d'uso e la loro adozione sta accelerando, con una serie di migliori pratiche emergenti per supportare questa rapida adozione. Innanzitutto, è essenziale controllare l'ambiente per ridurre le potenziali collisioni che gli AMR potrebbero incontrare. Un esempio di questo è la designazione di percorsi per AMR/veicoli a guida automatizzata (AGV) in strutture di produzione o magazzini. In secondo luogo, è cruciale utilizzare i gemelli digitali durante il processo di sviluppo per simulare casi d'uso esatti, inclusi scenari estremi. Infine, integrare la fusione sensoriale con sensori intelligenti, algoritmi e modelli è fondamentale. onsemi può fornire una soluzione completa per la fusione dei sensori, inclusi sistemi di imaging ad alta risoluzione combinati con sensori di immagine, controllo motore ad alta potenza e soluzioni di ricarica di batterie compatte ed efficienti, che soddisfano tutte le varie esigenze delle applicazioni AMR. Se hai qualsiasi esigenza correlata, contatta Arrow o onsemi per ulteriori informazioni su prodotti e applicazioni.
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