SICK scanGrid2 - Pierwszy na świecie statyczny LIDAR bezpieczeństwa

Małe pojazdy autonomiczne

Duże floty małych pojazdów autonomicznych do dystrybucji produktów to systemy o specjalnych wymaganiach. Ich „siła” wynika z ich liczby oraz możliwości łatwego dostosowywania dróg poruszania się do aktualnych potrzeb. Muszą być możliwie tanie, a więc ich konstrukcje są znacznie prostsze niż np. autonomicznych wózków widłowych. Muszą zapewniać możliwość centralnego zarządzania i łatwego konfigurowania całej floty. Muszą być też bezpieczne, a więc wyposażone w systemy gwarantujące detekcję przeszkód – zwłaszcza człowieka.

Statyczny LIDAR scanGrid stara się odpowiedzieć na te wszystkie potrzeby. Poprzez poprawę bezpieczeństwa dodatkowo zwiększa wydajność systemu, umożliwiając poruszanie się z większymi prędkościami i ładunkami.

Zwiększenie wydajności

W małych pojazdach autonomicznych, ze względu na obniżanie kosztów, unika się stosowania typowych laserowych skanerów bezpieczeństwa. Ich rozmiary są na tyle duże, że nie pasują do koncepcji małego pojazdu. Ponadto, ze względu na technologię, stają się po prostu nieopłacalne. Ich możliwości (zasięgi, dokładności, interfejsy itd.) przewyższają potrzeby takich aplikacji.

Niestety, jedyną alternatywą były dotąd mechaniczne zderzaki, które po kontakcie z przeszkodą generują sygnał zatrzymania. Wprowadza to duże ograniczenia. Detekcja następuje już w momencie kontaktu z przeszkodą (człowiekiem), a więc nie ma przestrzeni na hamowanie, czyli zmniejszenie prędkości, które ograniczyłoby konsekwencje takiego zdarzenia. Dlatego w tego typu rozwiązaniach ogranicza się maksymalne prędkości. Czasem producenci decydują się na stosowanie innych standardowych czujników, np. ultradźwiękowych lub optycznych, które jednak nie gwarantują wymaganego poziomu bezpieczeństwa.

scanGrid2 pozwala na bezpieczną detekcję człowieka dużo wcześniej niż w momencie ewentualnego kontaktu. Pozwala to na znaczne zwiększenie prędkości maksymalnej, a tym samym wydajności całego sytemu.

Budowa i działanie scangrid2

Urządzenie scanGrid2 jest statycznym LIDAR-em, co oznacza że nie ma w nim żadnych ruchomych elementów, takich jak obrotowe lustro występujące w klasycznych skanerach laserowych. Dzięki temu konstrukcja jest lżejsza, bardziej odporna na wstrząsy i uderzenia oraz znacznie tańsza w wykonaniu. Wymiary obudowy to zaledwie 160×43×55 mm.

Elementów nadawczo-odbiorczych jest kilka i są one rozmieszczone po okręgu. Wykorzystuje się przy tym zasadę pomiaru czasu przelotu impulsu świetlnego (ToF – Time of Flight). Laserowa dioda nadawcza wysyła impuls światła podczerwonego o długości fali 850 nm, który po odbiciu od obiektu powraca i trafia do diody odbiorczej. Czas od wysłania do odebrania impulsu przeliczany jest na odległość.

Ostatecznie na kącie skanowania wynoszącym 150° scanGrid2 wykonuje 32 niezależne pomiary, z rozdzielczością kątowa ok. 6°. Maksymalny zasięg pola ochronnego wynosi 1,1 m dla rozdzielczości 70 mm, czyli typowej wymaganej dla detekcji nogi człowieka w aplikacji mobilnej. Możliwe jest też stworzenie dodatkowego pola ostrzegawczego o zasięgu do 4 m.

Odporność na warunki środowiskowe

Urządzenie przewidziano do pracy wewnątrz budynków, w których dopuszczalna temperatura mieści się w zakresie od 0 do 50°C. Obudowę wykonano w stopniu ochrony IP65. Oczywiście osłona optyki powinna być utrzymywana w czystości, aby w jak najmniejszym stopniu wpływać na parametry optyczne. scanGrid2 wykazuje bardzo dobrą odporność na zakłócenia światłem, pochodzące z innych źródeł, do wartości 10 000 lx. Drobne zapylenie w powietrzu nie powinno stanowić problemu. W przypadku pracy w trudnych warunkach możliwe jest zwiększenie liczby próbkowania, czyli następujących po sobie pomiarów odległości od obiektu. Maksymalna wartość 4 oznacza, że obiekt ten musi być wykryty w polu w czterech kolejnych skanach. W pewnych sytuacjach może dochodzić do wzajemnego zakłócania się urządzeń zamontowanych na różnych wózkach, dlatego zalecane jest odchylenie płaszczyzny skanowania od poziomu. Przewidziano do tego specjalnie przygotowany zestaw montażowy.

Parametry bezpieczeństwa

W przypadku omawiania kwestii związanych z parametrami bezpieczeństwa warto wspomnieć o normie ISO 3691-4, opisującej wymagania dla przemysłowych pojazdów autonomicznych. W celu wykrycia człowieka na głównej drodze jazdy trzeba zastosować układ bezpieczeństwa wykonany minimum w poziomie bezpieczeństwa PL d. Wielu producentów małych pojazdów autonomicznych wykonuje jednak własną ocenę ryzyka, dochodząc do wniosku, że w stosunku do ich pojazdów zagrożenia są mniejsze i tak wysoki poziom nie jest potrzebny. scanGrid2 został zaprojektowany właśnie z myślą o takich producentach i takich aplikacjach – małych platformach mobilnych, poruszających się wzdłuż określonej ścieżki i transportujących lekkie ładunki. Jest to urządzenie typu 2 (wg normy IEC 61496-1), osiągające poziom zapewnienia bezpieczeństwa PL c i wykonane w kategorii 2 (wg normy ISO 13849-1). Chodzi zatem o układ jednokanałowy z odpowiednim testowaniem. Cała konstrukcja ma znacznie prostszą strukturę wewnętrzną niż wspomniane wcześniej skanery laserowe (mające zdwojone prawie wszystkie układy), ale osiąga standard PL d/Kat. 3. Prostsza budowa pozwala obniżyć koszty i dostosować się do wymagań docelowych aplikacji.

Czas reakcji urządzenia, czyli wyłączenia wyjść bezpiecznych w przypadku naruszenia pola ochronnego, wynosi maksymalnie 60 ms (dla pojedynczego próbkowania), a więc pozostaje porównywalny ze skanerami laserowymi, a często okazuje się nawet lepszy.

Konfiguracja scangrid2

Konfigurację można wykonać za pomocą programu Safety Designer, zainstalowanego na PC – tego samego, jaki jest stosowany do wszystkich nowych urządzeń bezpieczeństwa. Należy jedynie podłączyć się z komputerem pod port USB-micro, umieszony z przodu urządzenia. Kształt pól ochronnych oraz ostrzegawczych można swobodnie definiować w granicach maksymalnego zasięgu oraz kąta skanowania. Zasięg zależny jest od rodzaju tworzonego pola oraz wgranej rozdzielczości detekcji. Im mniejsze obiekty chcemy wykrywać, tym mniejszy zasięg. Pola możemy grupować w zestawy: pole ochronne oraz ostrzegawcze. W zależności od wersji stworzymy cztery (I/O) lub osiem (CANopen) zestawów, a za pomocą dostępnych wejść jesteśmy następnie w stanie przełączać się między wybranymi zestawami. W programie Safety Designer można podejrzeć aktualnie "widziany" przez czujnik scanGrid kontur otoczenia.

Klonowanie konfiguracji scangrid2

Model scanGrid2 został opracowany z myślą o dużych flotach małych identycznych pojazdów, w których konfiguracja urządzeń bezpieczeństwa też często będzie taka sama. Musi zatem istnieć sposób, żeby ustawienia wprowadzone w jednym urządzeniu dało się łatwo przenieść do innego. Dlatego też zainstalowano interfejs bliskiej komunikacji NFC. Poprzez przyłożenie w odpowiednie miejsce telefonu komórkowego z NFC oraz zainstalowaną aplikacją SICK Safety Assistant szybko odczytamy wszystkie parametry zapisane w scanGrid, podobnie jak w przypadku płacenia telefonem. Następnie tak odczytaną konfigurację jesteśmy w stanie przenieść do innego urządzenia – również przykładając do niego telefon. Co ważne, komunikacja NFC działa bez konieczności podłączania zasilania do urządzenia. W aplikacji SICK Safety Assistant można przechowywać różne konfiguracje różnych urządzeń. Aktualnie aplikacja dostępna jest jednak tylko na sprzęcie z systemem Android.

Interfejs canopen safety

W pojazdach mobilnych często stosowany jest interfejs CANopen, który służy do komunikacji najważniejszych elementów sytemu. Centralny sterownik może odbierać informację od czujników i zarządzać napędami. Jak większość protokołów umożliwia także przesyłanie danych diagnostycznych. Dlatego też interfejs CANopen został zaimplementowany w scanGrid2. Dzięki temu możliwe jest np. odczytanie danych pomiarowych, by w ten sposób wspomóc system nawigacji lub określić rodzaj i miejsce napotkanej przeszkody. Jednak najbardziej interesujące wydaje się to, że możliwe jest również przesyłanie informacji bezpiecznych. CANopen Safety to ustandaryzowana wersja interfejsu, w której dane bezpieczne przesyłane są w dodatkowej zanegowanej ramce. W ten sposób jesteśmy w stanie odczytywać stany naruszenia pól oraz przełączać się pomiędzy wcześniej zdefiniowanymi zestawami. W przypadku scanGrid2 z wersją CANopen może ich być znacznie więcej niż w przypadku wersji z fizycznymi wejściami/wyjściami.

Inne zastosowania scangrid2

Główne zastosowanie nowego statycznego LiDAR-a bezpieczeństwa dotyczy aplikacji mobilnych. Czy może on być jednak wykorzystywany w aplikacjach stacjonarnych? W pewnych sytuacjach byłoby to dobre rozwiązanie, jako np. znacznie tańsza alternatywa dla laserowych skanerów bezpieczeństwa. W tym obszarze są jednak pewne ograniczenia.

Możliwe jest stworzenie aplikacji zabezpieczenia dostępu i stworzenia pionowego obszaru detekcji do wykrywania człowieka wchodzącego w obszar niebezpieczny. W scanGrid2 dostępne są wymagane rozdzielczości 150 oraz 200 mm. Jednak sprzętu nie wyposażono w funkcję konturu referencyjnego, pozwalającego monitorować obecność ustalonych obiektów, a tym samym wykrywać przemieszczanie się urządzenia. W aplikacjach pionowych funkcja ta jest wymagana zgodnie z normą IEC 61496-2. Należy zatem uniemożliwić przemieszczenie się urządzenia poprzez odpowiedni montaż.

scanGrid nie ma certyfikacji jako urządzenie bezpieczeństwa w aplikacjach zabezpieczenia punktu niebezpiecznego, gdzie obszar detekcji znajduje się blisko zagrożenia i konieczna jest rozdzielczość detekcji pozwalająca na wykrycie dłoni człowieka. Minimalna rozdzielczość urządzenia to 50 mm. Nie jest to również sprzęt certyfikowany do aplikacji zabezpieczenia obszaru stacjonarnego, głównie ze względu na zwiększony błąd pomiarowy wynikający z obecności otaczających obiektów.

Podsumowanie

Opisywane urządzenie to całkowicie nowatorskie rozwiązanie w dziedzinie bezpieczeństwa autonomicznych platform mobilnych. Zostało doskonale dostosowane do dynamicznie rosnącego rynku dużych flot małych pojazdów poruszających się po wyznaczonych trasach. Aktualnie dostępny na rynku sprzęt do detekcji różnych obiektów oraz człowieka to albo zaawansowane laserowe skanery bezpieczeństwa, albo znacznie tańsze czujniki standardowe. Model scanGrid2 wypełnia pusty obszar pomiędzy tymi dwoma rozwiązaniami.

SICK Polska
www.sick.pl