Датчики миллиметровых волн в роботизированных системах повышают точность и надежность движений

Когда речь заходит о роботах, многие представляют массивные машины (например, роботизированные руки, расположенные вдоль цеха). Но сегодняшняя робототехника интенсивно развивается, так как же и технологии измерения (датчики). Одной из относительно новых технологий измерения в робототехнике является применение комплементарных структур на основе металл-оксид- полупроводников (КМОП или англ. CMOS) для радиолокационных датчиков миллиметровых волн (mmWave).

Если сравнивать датчики на основе видимых волн (vision) и на основе LIDAR (определение
дальности с помощью света), основным преимуществом устройств на основе измерения
миллиметровыми волнами является их устойчивость к погодным условиям, таким как пыль,
дождь, дым, туман, иней. Кроме того датчики миллиметровых волн (mmWave) могут работать независимо от условий освещения. Довольно прочные измерительные устройства устанавливаются непосредственно в пластиковые корпуса без дополнительных укрепленных внешних линз, отверстий, или поверхностей. Все это гарантирует высокую надежность работы в роботизированных системах, соблюдая ключевые параметры безопасности при работе с людьми, а также обеспечивает точные перемещения машины в пространстве.

Защитные ограждения вокруг роботизированных рук

Поскольку роботы все чаще встречаются в производственных линиях, важно обеспечить максимальную безопасность людей при работе на этих линиях.

Исторически сложилось, что одной из основных мер безопасности стало защитное ограждение (рисунок ниже):

Датчики создают так называемую виртуальную (невидимую) защиту от несанкционированного контакта робота с человеком или робота с роботом по мере уплотнения производства (расширения производственных мощностей без расширения помещений). Системы безопасности на основе видимого света требуют контроля за освещением измерительных элементов, вырабатывают тепло, а также нуждаются в постоянной очистке. При особенно пыльном производственном процессе, например в текстильной промышленности, линзы датчиков нуждаются в постоянной очистке и особом внимании.

Поскольку датчики mmWave являются более надежными и с возможностью обнаружения объектов, независимо от освещения, влажности, дыма и пыли на производстве, они хорошо подходят для замены систем на основе видимого света. Более того, они могут обеспечить обнаружение объекта с очень низкой задержкой обработки — обычно менее 2 мс. Монтаж этих датчиков «над» рабочей областью, как правило, не составляет большого труда, так как
они обладают такими замечательными свойствами как широкий «кругозор» и дальность
обнаружения. Способность обнаруживать несколько объектов или людей с помощью только одного mmWave-датчика, позволяет снизить количество необходимых измерительных приборов, что даёт возможность уменьшить стоимость.

Использование mmWave для измерения скорости

Точная одометрия необходима для определения траектории движения платформы с роботом. Получить эту информацию можно путем измерения вращения колес или ременных передач платформы. Да, этот подход очень прост и дешев, но как быть, если поверхность движения неровна, грязная или скользкая?

Более «продвинутые» системы способны обеспечить более точную одометрию посредством добавления инерциального блока управления (IMU), который иногда может дополняться GPS модулем. mmWave-датчики могут предоставлять дополнительную информацию для одометра роботов, которые двигаются по неровной поверхности или имеют много шасси и «исследуют дорогу», посылая сигналы в направлении земли и измеряя доплеровский сдвиг обратного сигнала.

На рисунке приведена потенциальная конфигурация наземного радиолокационного датчика mmWave для платформы робота. Будет ли устанавливаться измерительный элемент перед двигающимся механизмом (как показано на рисунке) или сзади (распространенная практика для сельхозтехники) зависит от требований заказчика. Если измерительный прибор устанавливается спереди, то это может позволить роботу определять траекторию движения и предотвратить несанкционированный «въезд» машины. Установка датчика позади платформы позволяет снизить «высоту измерения» и отклонение от курса, что довольно распространено в сельскохозяйственной технике.

Облачная информация, создаваемая с помощью mmWave-датчиков

Человек, идущий перед датчиком миллиметровых волн, создает несколько точек отражения. Каждая из этих точек может быть отображена в трехмерном пространстве относительно датчика (рисунок ниже) внутри популярного инструмента визуализации операционной системы робота (RVIZ).

Данные точки система «собирает» за четверть секунды. Плотность собранной точечной информации обеспечивает хорошую точность отображения рук или ног, что позволяет классифицировать объект как движущегося человека. Четкость открытого пространства в трехмерном изображении (3D) также очень важна для движения роботов, так как позволяет осуществлять автономные операции.

Отображение и навигация с использованием датчиков миллиметровых волн

Используя точечную информацию об объектах, обнаруженных измерительным устройством mmWave, можно точно отследить наличие препятствий в помещении и использовать открытое пространство, определенное для автономной работы и навигации (рисунок выше).

На рисунке выше можно увидеть, что робот, оснащенный измерительным элементом mmWave, способен построить трехмерную карту (3D карту) с отображением статических препятствий. После чего данная карта может быть использована этим роботом или другими роботами для предотвращения столкновений с вышеупомянутыми препятствиями при автономном перемещении. Также возможен режим динамического определения препятствий, которые встречаются на его пути.