Robot autonomiczny – jak działa i czym różni się od zdalnie sterowanego pojazdu?

O ruchu robota autonomicznego decyduje komputer pokładowy, a pojazdem zdalnie sterowanym kieruje człowiek z zewnątrz. Ten artykuł wyjaśnia, skąd bierze się ta różnica, jakich informacji o otoczeniu potrzebuje robot do jazdy, jaka łączność jest mu potrzebna oraz kiedy wymagany jest nadzór operatora.

W skrócie

• Zakres nadzoru operatora wynika z przeznaczenia robota, poziomu autonomii, środowiska pracy, oceny ryzyka oraz obowiązujących przepisów i norm, w robotyce przemysłowej przede wszystkim normy ISO 3691-4:2023.
• O ruchu robota autonomicznego decyduje komputer pokładowy. Pojazdem zdalnie sterowanym kieruje człowiek, który ocenia sytuację i zadaje każdy manewr z zewnątrz.
• Istniejącą maszynę z kabiną i kierownicą można doposażyć w pracę zdalną lub autonomiczną. Taką modernizację nazywa się retrofitem.
• Robotowi wystarczy tyle informacji o otoczeniu, żeby ustalić swoją pozycję, rozpoznać obszar przejezdny i bezpiecznie wyznaczyć ruch. Pełna mapa jest jedną z możliwych form takiej informacji.
• Do samej jazdy wystarczy, żeby wszystkie funkcje potrzebne do bezpiecznego wykonania zadania działały lokalnie, na komputerze pokładowym.

Na pierwszy rzut oka trudno odróżnić pojazd autonomiczny od pojazdu zdalnie sterowanego, a nawet od maszyny przeznaczonej do pracy z operatorem. Maszyny wyposażone w kabinę, kierownicę i klasyczne elementy sterowania ręcznego również mogą zostać przystosowane do pracy zdalnej lub autonomicznej.

Modernizację istniejącej maszyny, polegającą na doposażeniu jej w takie funkcje, nazywa się retrofitem. Główną zaletą retrofitu jest możliwość rozszerzenia funkcjonalności istniejącej maszyny bez konieczności projektowania i zakupu całkowicie nowego pojazdu. Jest to szczególnie korzystne w przypadku drogich, specjalistycznych lub skomplikowanych maszyn.

Wprawne oko zauważy jednak dodatkowe czujniki, które w pojazdach automatycznych i autonomicznych pełnią funkcję ich oczu i uszu. Mogą to być między innymi radary, lidary (LiDAR, Light Detection and Ranging, czyli pomiar odległości za pomocą wiązki światła laserowego), anteny systemów pozycjonowania oraz kamery umieszczone w różnych częściach pojazdu.

Najważniejsza różnica nie dotyczy jednak wyglądu maszyny, lecz sposobu podejmowania decyzji. W pojeździe zdalnie sterowanym decyzje dotyczące ruchu nadal podejmuje człowiek. W pojeździe autonomicznym rolę tę przejmuje komputer pokładowy, który na podstawie otrzymanego zadania steruje pojazdem, monitoruje jego otoczenie i wyznacza bezpieczny sposób dotarcia do celu.

Jak poruszają się roboty autonomiczne?

Roboty autonomiczne poruszają się dzięki temu, że komputer pokładowy określa pozycję pojazdu, planuje trasę do wyznaczonego celu, zamienia ją na proste polecenia ruchu i steruje napędami, przez cały czas monitorując otoczenie.

Sterowanie pojazdem polega na doprowadzaniu go do określonej pozycji i orientacji. W przypadku pojazdów sterowanych ręcznie to człowiek jest głównym elementem całego procesu. Dzięki szkoleniu zna charakterystykę prowadzonej maszyny i potrafi odpowiednio operować pedałem gazu, zadawać skręt za pomocą kierownicy oraz zatrzymywać pojazd. Na podstawie własnego doświadczenia ocenia również, w jaki sposób bezpiecznie dotrzeć do celu.

W maszynach autonomicznych proces podejmowania decyzji zostaje przeniesiony do komputera. Parametry pojazdu, takie jak jego wymiary, dynamika, ograniczenia ruchu czy konfiguracja napędów, są zapisane w systemie.

W ekosystemie HetBot rolę związaną z wyznaczaniem ruchu może pełnić Sterownik Nawigacji RapidBase. Na podstawie aktualnej pozycji pojazdu, otrzymanej z modułu Lokalizacji RapidBase, system wyznacza trasę prowadzącą przez przejezdny teren, omijając przeszkody i przestrzegając ograniczeń określonych dla danego pojazdu.

Wyznaczona trasa jest następnie przekształcana w szereg prostszych poleceń, takich jak polecenie jazdy prosto albo jazdy po łuku. Kontroler Kinematyki  tłumaczy te polecenia na konkretne wartości sterujące dla poszczególnych napędów, na przykład prędkości obrotowe i kąty skrętu kół.

W procesie tym współpracuje kilka warstw systemu. Odpowiadają one między innymi za:

• lokalizowanie pojazdu,
• planowanie trasy,
• wykrywanie przeszkód,
• sterowanie napędami,
• kontrolowanie zgodności ruchu z wyznaczoną trasą,
• reagowanie na zmiany zachodzące w otoczeniu.

Przez cały czas dedykowane komponenty monitorują otoczenie i reagują na przeszkody, które mogą pojawić się na trasie. W zależności od konstrukcji systemu reakcją może być zmniejszenie prędkości, wyznaczenie nowej drogi lub bezpieczne zatrzymanie pojazdu.

Czym różni się robot autonomiczny od zdalnie sterowanego pojazdu?

Robot autonomiczny różni się od pojazdu zdalnie sterowanego tym, kto podejmuje decyzje o ruchu. W pojeździe zdalnie sterowanym operator bezpośrednio kieruje maszyną, nawet jeżeli znajduje się wiele kilometrów od niej. W robocie autonomicznym operator określa cel lub zadanie, a komputer pokładowy samodzielnie wybiera sposób jego wykonania w granicach wcześniej określonych warunków pracy.

W pojeździe zdalnie sterowanym operator nie znajduje się w kabinie, ale nadal bezpośrednio kieruje ruchem maszyny. Może przebywać w pobliżu pojazdu albo sterować nim z odległości wielu kilometrów.

Operator najczęściej korzysta ze specjalnej aparatury sterującej. Klasyczne pedały, dźwignie i kierownica mogą być w niej zastąpione drążkami, przyciskami lub innym interfejsem. Polecenia operatora muszą zostać przekształcone w ruch kół i pozostałych elementów wykonawczych.

Można to zrealizować na dwa sposoby. Pierwszym jest zastosowanie dodatkowych urządzeń mechanicznych lub elektromechanicznych, które sterują pedałem przyspieszenia, układem hamulcowym i kierownicą. Drugim jest bezpośrednie przekazywanie poleceń do elektronicznych sterowników pojazdu, jeżeli jego konstrukcja na to pozwala.

Za realizację takich poleceń może odpowiadać sterownik Kinematyki Adaptacyjnej RapidBase. Zna on konfigurację napędów pojazdu i potrafi przetłumaczyć komendę jazdy do przodu albo jazdy po łuku o promieniu dwóch metrów na odpowiednie prędkości oraz kąty skrętu poszczególnych kół.

Nadal jednak to człowiek, wykorzystując swoje doświadczenie i intuicję, decyduje o tym, jaki ruch należy wykonać. System realizuje jego polecenia, ale nie wybiera samodzielnie całej trasy.

Robot autonomiczny działa inaczej. Operator określa cel lub zadanie, natomiast komputer samodzielnie wybiera sposób jego wykonania w granicach wcześniej określonych warunków pracy. System lokalizuje pojazd, planuje trasę, kontroluje ruch i reaguje na przeszkody. Autonomia nie oznacza jednak pełnej swobody działania w każdych warunkach. Każdy system powinien mieć określony obszar i zakres dopuszczalnej pracy, obejmujący między innymi rodzaj terenu, dozwolone prędkości, warunki pogodowe oraz sposób postępowania w sytuacjach awaryjnych.

Pojazd zdalnie sterowany a robot autonomiczny: porównanie

Czy robot autonomiczny zawsze potrzebuje mapy, żeby jeździć?

Robot autonomiczny nie zawsze potrzebuje szczegółowej mapy otoczenia, ale musi mieć informacje wystarczające do określenia swojej pozycji, rozpoznania obszaru przejezdnego i bezpiecznego wyznaczenia ruchu.

Jeżeli pojazd porusza się w otwartym terenie, może lokalizować się za pomocą systemu GNSS (Global Navigation Satellite System, czyli globalny system nawigacji satelitarnej). System ten pozwala określić pozycję pojazdu w globalnym układzie współrzędnych. Sama znajomość współrzędnych nie oznacza jednak, że pojazd automatycznie wie, którędy może jechać.

Do planowania trasy mogą być potrzebne dodatkowe informacje, takie jak:

• granice obszaru roboczego,
• położenie dróg i stref przejezdnych,
• lokalizacja stałych przeszkód,
• obszary wyłączone z ruchu,
• punkty docelowe,
• ograniczenia prędkości.

Informacje te mogą mieć postać pełnej mapy albo prostego zestawu punktów i korytarzy przejazdu. W niektórych zastosowaniach pojazd może również budować mapę na bieżąco na podstawie danych z kamer, lidarów lub radarów.

W budynkach i innych środowiskach wewnętrznych sygnał GNSS zazwyczaj jest niedostępny lub zbyt słaby. W takich warunkach najczęściej wymagana jest znajomość położenia pojazdu względem pomieszczenia, regałów, korytarzy i innych elementów infrastruktury.

Tworzy się wtedy lokalną mapę otoczenia, która stanowi punkt odniesienia dla modułu lokalizacji, takiego jak moduł lokalizacji RapidBase. Pozycja może być określana między innymi przez porównywanie aktualnych danych z lidarów i kamer z zapisaną mapą.

Czy robot autonomiczny może pracować bez internetu?

Robot autonomiczny może pracować bez dostępu do internetu, jeżeli wszystkie funkcje potrzebne do bezpiecznego wykonywania zadania działają lokalnie. Komputer pokładowy może samodzielnie lokalizować pojazd, wykrywać przeszkody, planować ruch i sterować napędami.

Brak internetu nie oznacza jednak, że pojazd nie potrzebuje żadnej łączności. W systemie obejmującym wiele robotów może być wymagane lokalne połączenie bezprzewodowe z aplikacją zarządzającą flotą. Taka komunikacja może działać w zamkniętej sieci zakładowej, bez dostępu do publicznego internetu.

Komputer pokładowy potrafi samodzielnie sterować ruchem robota, ale musi otrzymać informację, gdzie i kiedy powinien pojechać. W prostych systemach polecenia wydaje człowiek. W bardziej rozbudowanych instalacjach również ten etap może zostać zautomatyzowany.

W ekosystemie RapidBase rolę tę pełni moduł Interfejs i Zarządzanie, na który składa się m.in. SmartApp, czyli aplikacja do śledzenia i zarządzania działaniem całej floty robotów. Znając cel całego procesu oraz aktualny stan dostępnych pojazdów, przydziela im zadania i koordynuje ich pracę. Specjalna technologia Supervisor pilnuje również, aby ruch wielu pojazdów był uporządkowany i nie prowadził do konfliktów.

W zależności od architektury systemu aplikacja może działać na lokalnym serwerze albo korzystać z usług dostępnych przez internet. Dostęp do internetu umożliwia między innymi zdalne monitorowanie floty, aktualizację oprogramowania, przesyłanie danych diagnostycznych oraz korzystanie z zewnętrznych usług pozycjonowania.

Internet może być także wykorzystywany do odbierania poprawek RTK (Real Time Kinematic, czyli technika korygowania pomiaru pozycji satelitarnej w czasie rzeczywistym) dla systemu GNSS. Poprawki te zwiększają dokładność pozycjonowania, często do poziomu centymetrowego. Mogą być przesyłane przez internet, ale mogą również pochodzić z lokalnej stacji bazowej lub prywatnej infrastruktury komunikacyjnej.

Czy robot autonomiczny wymaga stałego nadzoru operatora?

Robot autonomiczny nie zawsze wymaga stałego, bezpośredniego nadzoru operatora. Zależy to od jego przeznaczenia, poziomu autonomii, środowiska pracy, wyników oceny ryzyka oraz przepisów i norm właściwych dla danej kategorii pojazdu.

W przypadku autonomicznych robotów przemysłowych podstawowe znaczenie ma norma ISO 3691-4:2023. Określa ona wymagania bezpieczeństwa oraz metody ich weryfikacji dla bezzałogowych wózków przemysłowych i ich systemów. Obejmuje między innymi pojazdy AGV (Automated Guided Vehicle, czyli pojazd sterowany automatycznie), autonomiczne roboty mobilne AMR (Autonomous Mobile Robot, czyli autonomiczny robot mobilny) oraz inne pojazdy przemysłowe działające bez kierowcy.

Robot przeznaczony do pracy bez stałego nadzoru powinien między innymi:

• wykrywać przeszkody i osoby znajdujące się na trasie,
• kontrolować stan podstawowych podzespołów,
• reagować na awarie i utratę lokalizacji,
• przechodzić do bezpiecznego stanu po utracie wymaganej komunikacji,
• umożliwiać zatrzymanie awaryjne,
• sygnalizować swój stan oraz wykryte błędy,
• działać wyłącznie w określonym obszarze i w dopuszczalnych warunkach,
• rejestrować zdarzenia potrzebne do diagnostyki.

Nadzór operatora może mieć charakter okresowy lub zdalny. Operator może otrzymywać powiadomienia o sytuacjach, których system nie potrafi samodzielnie rozwiązać, na przykład o zablokowanej trasie, utracie dokładnej lokalizacji lub awarii podzespołu. W takim przypadku człowiek może zatwierdzić dalsze działanie, wydać nowe polecenie albo przejąć sterowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Słownik pojęć

Co dalej

Jeżeli zastanawiasz się, czy Twoja maszyna nadaje się do pracy autonomicznej albo od czego zacząć autonomizację, punktem wyjścia jest zwykle określenie środowiska pracy, wymaganej dokładności lokalizacji i zakresu dopuszczalnych warunków działania. Moduły ekosystemu RapidBase odpowiadają za poszczególne warstwy tego procesu: lokalizację, planowanie trasy, sterowanie napędami i zarządzanie flotą.

Chętnie omówimy też Twoją specyfikę podczas krótkiej konsultacji technicznej.