Como a fusão de sensores permite que os AMRs manobrem pelo chão de fábrica com eficiência

Com o aumento do número de pessoas e robôs móveis autônomos (AMRs), também chamados de robôs móveis industriais (IMRs), trabalhando na mesma área, vários riscos inerentes à segurança devem ser abordados. A operação segura e eficiente dos AMRs é muito importante, portanto não pode contar com uma única tecnologia de sensor.

A fusão de multissensores, ou simplesmente "fusão de sensores", combina tecnologias como LIDAR (Laser Range Finding), câmeras, sensores ultrassônicos, lasers, sensores de obstáculos e identificação por radiofrequência (RFID) para dar suporte a uma série de funções de AMR, incluindo navegação, planejamento de caminho, prevenção de colisões, gerenciamento de inventário e suporte logístico. A fusão de sensores também inclui alertar as pessoas próximas sobre a presença do AMR.

Para atender à necessidade de uma operação segura e eficiente dos AMRs, o American National Standards Institute (ANSI) e a Association for Advancing Automation (A3), antiga Robotic Industries Association (RIA), estão desenvolvendo a série de padrões ANSI/A3 R15.08. O R15.08-1 e o R15.08-2 foram lançados, com foco nos requisitos básicos de segurança e na integração de AMRs em um local. O R15.08-3 está em desenvolvimento e ampliará os requisitos de segurança para AMRs, incluindo recomendações mais detalhadas para o uso da fusão de sensores.

Antecipando o R15.08-3, este artigo analisa algumas das melhores práticas atuais relacionadas à segurança e à fusão de sensores em AMRs, começando com uma breve visão geral dos requisitos de segurança funcional usados atualmente com AMRs, incluindo padrões genéricos de segurança industrial, como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061, e os requisitos de segurança para detectar a presença humana, como IEC 61496 e IEC 62998. Em seguida, apresenta um projeto típico de AMR detalhando as diversas tecnologias de sensores, apresenta dispositivos representativos e analisa como eles suportam funções como navegação, planejamento de caminho, localização, prevenção de colisões e gerenciamento de inventário/suporte logístico.

Bom, melhor, ótimo

Os projetistas de AMRs têm uma série de padrões de segurança a considerar, começando pelos padrões de segurança funcional de uso geral, como IEC 61508, ISO 13849 e IEC 62061. Há também padrões de segurança mais específicos relacionados ao sensoriamento da presença humana, como a IEC 61496, a IEC 62998 e a série de padrões ANSI/A3 R15.08.

A IEC 61496 oferece orientação para vários tipos de sensores. Ela se refere à norma IEC 62061, que especifica os requisitos e faz recomendações para o projeto, a integração e a validação de equipamentos de proteção eletrossensíveis (ESPE) para máquinas, incluindo níveis de integridade de segurança (SILs), e à norma ISO 13849, que abrange a segurança de máquinas e partes relacionadas à segurança de sistemas de controle, incluindo níveis de desempenho de segurança (PLs) (Tabela 1).

Tabela 1: Requisitos de segurança para ESPE por tipo especificado na IEC 61496. (Fonte da tabela: Analog Devices)

A IEC 62998 é mais recente e muitas vezes pode ser a melhor opção, pois inclui orientações sobre a implementação da fusão de sensores, o uso de inteligência artificial (IA) em sistemas de segurança e o uso de sensores montados em plataformas móveis fora da cobertura da IEC 61496.

A R15.08 Parte 3, quando for lançada, pode tornar a série R15.08 a melhor, pois adicionará requisitos de segurança para usuários de sistemas AMR e aplicações AMR. Os tópicos prováveis podem incluir fusão de sensores e testes de estabilidade e validação de AMR mais abrangentes.

Funções da fusão de sensores

O mapeamento da instalação é um aspecto essencial do comissionamento de AMR. Mas não se trata de uma atividade única. Também faz parte de um processo contínuo chamado de localização e mapeamento simultâneos (SLAM), às vezes chamado de localização e mapeamento sincronizados. É o processo de atualização contínua do mapa de uma área para detectar quaisquer alterações e, ao mesmo tempo, manter o controle da localização do robô.

A fusão de sensores é necessária para dar suporte a SLAM e permitir a operação segura de AMRs. Nem todos os sensores funcionam igualmente bem em todas as circunstâncias operacionais, e diferentes tecnologias de sensores produzem vários tipos de dados. A IA pode ser usada em sistemas de fusão de sensores para combinar informações sobre o ambiente operacional local (se há neblina ou fumaça, umidade, qual é a intensidade da luz ambiente, etc.) e permitir um resultado mais significativo combinando as saídas de diferentes tecnologias de sensores.

Os elementos sensores podem ser categorizados por função e por tecnologia. Exemplos de funções da fusão de sensores em AMRs incluem (Figura 1):

• Sensores de distância, como codificadores em rodas e unidades de medição inercial que usam giroscópios e acelerômetros, ajudam a medir o movimento e a determinar o intervalo entre as posições de referência.
• Sensores de imagem, como câmeras tridimensionais (3D) e LiDAR 3D, são usados para identificar e rastrear objetos próximos.
• Links de comunicação, processadores de computação e sensores de logística, como leitores de código de barras e dispositivos de identificação por radiofrequência (RFID), conectam o AMR aos sistemas de gerenciamento de toda a instalação e integram informações de sensores externos ao sistema de fusão de sensores do AMR para melhorar o desempenho.
• Sensores de proximidade, como scanners a laser e LiDAR bidimensional (2D), detectam e rastreiam objetos próximos ao AMR, inclusive o movimento de pessoas.

Figura 1: Exemplos de tipos de sensores comuns e elementos de sistema relacionados usados em projetos de fusão de sensores AMR. (Fonte da imagem: Qualcomm)

LiDAR 2D, LiDAR 3D e ultrassônica

LiDAR 2D e 3D e ultrassônica são tecnologias de sensores comuns que suportam SLAM e segurança em AMRs. As diferenças entre essas tecnologias permitem que um sensor compense os pontos fracos dos outros para melhorar o desempenho e a confiabilidade.

O LiDAR 2D usa um único plano de iluminação a laser para identificar objetos com base nas coordenadas X e Y. O LiDAR 3D usa vários feixes de laser para criar uma representação 3D altamente detalhada dos arredores, chamada de nuvem de pontos. Ambos os tipos de LiDAR são relativamente imunes às condições de luz ambiente, mas exigem que os objetos a serem detectados tenham um limite mínimo de refletividade do comprimento de onda emitido pelo laser. Em geral, o LiDAR 3D pode detectar objetos de baixa refletividade com mais confiabilidade do que o LiDAR 2D.

O sensor LiDAR 3D HPS-3D160 da Seeed Technology integra emissores de laser infravermelho de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) de 850 nm de alta potência e CMOS de alta sensibilidade fotográfica. O processador incorporado de alto desempenho inclui algoritmos de filtragem e compensação e pode suportar várias operações LiDAR simultâneas. A unidade tem um alcance de até 12 metros com precisão de centímetros.

Quando uma solução LiDAR 2D é necessária, os projetistas podem recorrer ao TIM781S-2174104 da SICK. Ele apresenta um ângulo de abertura de 270 graus com uma resolução angular de 0,33 graus e uma frequência de varredura de 15 Hz. Tem uma faixa de trabalho relacionada à segurança de 5 metros (Figura 2).

Figura 2: Esse sensor LiDAR 2D tem um ângulo de abertura de 270 graus. (Fonte da imagem: SICK)

Os sensores ultrassônicos podem detectar com precisão objetos transmissivos, como vidro e materiais que absorvem luz, que o LiDAR nem sempre consegue ver. Os sensores ultrassônicos também são menos suscetíveis à interferência de muita poeira, fumaça, umidade e outras condições que podem atrapalhar o LiDAR. No entanto, os sensores ultrassônicos são sensíveis à interferência do ruído ambiental, e suas faixas de detecção podem ser mais limitadas do que os do LiDAR.

Sensores ultrassônicos como o TSPC-30S1-232 da Senix podem complementar o LiDAR e outros sensores para a SLAM AMR e segurança. Tem um alcance ideal de 3 metros, em comparação com 5 metros para o LiDAR 2D e 12 metros para o LiDAR 3D detalhado acima. Esse sensor ultrassônico com compensação de temperatura tem classificação IP68 em um invólucro de aço inoxidável com vedação ambiental (Figura 3).

Figura 3: Sensor ultrassônico vedado ambientalmente com um alcance ideal de 3 metros. (Fonte da imagem: DigiKey)

A fusão de sensores geralmente se refere ao uso de vários sensores discretos. Mas, em alguns casos, vários sensores são encapsulados em uma única unidade.

Três sensores em um

A percepção visual usando um par de câmeras para produzir imagens estereoscópicas, além do processamento de imagens com base em IA e ML, pode permitir que o AMR veja o plano de fundo e identifique objetos próximos. Há sensores disponíveis que incluem câmeras de profundidade estéreo, uma câmera colorida separada e uma IMU em uma única unidade.

Câmeras de profundidade estéreo, como a Intel RealSense D455 RealSense Depth Cameras , usam duas câmeras separadas por uma linha de base conhecida para detectar a profundidade e calcular a distância de um objeto. Um dos segredos da precisão é o uso de uma estrutura de aço resistente que garante uma distância de separação exata entre as câmeras, mesmo em ambientes industriais exigentes. A precisão do algoritmo de percepção de profundidade depende do conhecimento do espaçamento exato entre as duas câmeras.

Por exemplo, a câmera de profundidade modelo 82635DSD455MP foi otimizada para AMRs e plataformas semelhantes e ampliou a distância entre as câmeras para 95 mm (Figura 4). Isso permite que o algoritmo de cálculo de profundidade reduza o erro de estimativa para menos de 2% a 4 metros.

Figura 4: Esse módulo inclui câmeras de profundidade estéreo separadas por 95 mm, uma câmera colorida separada e uma IMU. (Fonte da imagem: DigiKey)

As câmeras de profundidade D455 também incluem uma câmera colorida (RGB) separada. Um obturador global para até 90 quadros por segundo na câmera RGB, combinado com o campo de visão (FOV) do gerador de imagens de profundidade, melhora a correspondência entre as imagens coloridas e de profundidade, aprimorando a capacidade de entender os arredores. As câmeras de profundidade D455 integram uma IMU com seis graus de liberdade que permite que o algoritmo de cálculo de profundidade inclua a taxa de movimento do AMR e produza estimativas dinâmicas de percepção de profundidade.

Iluminando e sonorizando o caminho

Luzes piscantes e alertas sonoros para pessoas próximas a um AMR são importantes para a segurança do AMR. As luzes geralmente têm a forma de uma torre de luz ou de uma faixa de luz nas laterais do AMR. Elas ajudam o robô a comunicar suas ações pretendidas às pessoas. Também podem indicar status como carregamento da bateria, atividades de carga ou descarga, intenção de virar em uma nova direção (como os sinais de mudança de direção em um carro), condições de emergência e assim por diante.

Não há padrões para cores de luzes, velocidades de pisca-pisca ou alarmes sonoros. Elas podem variar de acordo com os fabricantes de AMRs e, muitas vezes, são desenvolvidas para refletir as atividades específicas da instalação onde o AMR opera. As faixas de luz estão disponíveis com e sem mecanismos de alerta sonoro incorporados. Por exemplo, o modelo TLF100PDLBGYRAQP da Banner Engineering inclui um elemento audível selado com 14 tons selecionáveis e controle de volume (Figura 5).

Figura 5: Esse anunciador de barra de luz inclui um elemento audível selado (círculo preto superior). (Fonte da imagem: DigiKey)

Suporte logístico

Os AMRs operam como parte de operações maiores e, muitas vezes, precisam se integrar ao software de planejamento de recursos empresariais (ERP), ao sistema de execução de fabricação (MES) ou ao sistema de gerenciamento de armazém (WMS). O módulo de comunicações do AMR, juntamente com sensores como leitores de código de barras e de RFID, permite que os AMRs sejam integrados aos sistemas corporativos.

Quando um leitor de código de barras é necessário, os projetistas podem recorrer ao V430-F000W12M-SRP da Omron, que pode decodificar códigos de barras 1D e 2D em etiquetas ou códigos de barras de marcação direta na peça (DPM). Ele inclui autofoco de distância variável, uma lente de campo de visão amplo, um sensor de 1,2 megapixels, uma luz integrada e processamento de alta velocidade.

O DLP-RFID2 da DLP Design é um módulo compacto e de baixo custo para leitura e escrita em etiquetas de transponder RFID de alta frequência (HF). Também pode ler os identificadores exclusivos (UDI) de até 15 etiquetas ao mesmo tempo e pode ser configurado para usar uma antena interna ou externa. Tem uma faixa de temperatura operacional de 0°C a +70°C, o que o torna adequado para uso em instalações de fabricação e logística da indústria 4.0.

Conclusão

A fusão de sensores é uma ferramenta importante para dar suporte a SLAM e a segurança em AMRs. Antecipando o R15.08-3, que pode incluir referências à fusão de sensores e testes de estabilidade e validação de AMRs mais abrangentes, este artigo analisou alguns padrões atuais e práticas recomendadas para a implementação da fusão de sensores em AMRs. Este é o segundo artigo de uma série de duas partes. A primeira parte analisou a integração segura e eficiente dos AMRs nas operações da indústria 4.0 para obter o máximo benefício.