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Costruire Robot “consapevoli” per operare in ambienti non strutturati

di Mark Patrick, Mouser Electronics

Le possibilità di incontrare un robot per strada sono aumentate notevolmente negli ultimi anni, da quando rivenditori e ristoranti hanno iniziato a sperimentare i servizi di consegna autonoma. Con il tempo, i robot diventeranno una presenza sempre più frequente in casa, nelle aree pedonali, sulle strade e nei luoghi di lavoro come fabbriche, magazzini e fattorie.

Robot in movimento

A differenza delle aree ad accesso riservato, in cui normalmente vengono installati i robot industriali, gli ambienti esterni come i siti agricoli e alcuni siti industriali come le miniere, le cave o le fabbriche sono ambienti non strutturati. Spesso per i robot non è praticabile muoversi seguendo percorsi predefiniti per raggiungere la destinazione desiderata, ad esempio seguendo le linee sul pavimento o percorrendo distanze preconfigurate. L’ambiente contiene numerosi ostacoli ed è soggetto a continue modifiche non prevedibili, pertanto è necessario che il robot “sappia dove mette i piedi”. In altre parole, deve essere in grado di reagire autonomamente e in tempo reale.

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Una consapevolezza del contesto accurata è di cruciale importanza dal punto di vista sia funzionale che della sicurezza. I robot devono essere in grado di rilevare la propria posizione geografica, sia per navigare verso la destinazione sia per evitare aree non idonee per essere percorse. Per proteggere il carico e terminare il viaggio in sicurezza, i robot per le consegne devono tenersi lontani dalla strada, tranne che in circostanze speciali, ad esempio quando devono attraversarla.

Il posizionamento satellitare è un’opzione efficace per permettere ai robot mobili di operare in ambienti non strutturati. I veicoli terrestri autonomi impiegati in agricoltura utilizzano il posizionamento satellitare per determinare con precisione la loro posizione all’interno di campi estesi e complessi. Questa informazione è essenziale per compiti come l’agricoltura di precisione, in quanto permette ai robot di piantare semi o applicare fertilizzanti e pesticidi con precisione millimetrica. In questo modo l’agricoltura di precisione offre un migliore utilizzo delle risorse e, potenzialmente, rese dei raccolti più elevate. Inoltre, i veicoli terrestri autonomi dotati di sistemi di navigazione satellitare sono in grado di svolgere compiti come il campionamento del terreno, la raccolta dei dati, il monitoraggio a distanza della salute delle piante, la raccolta e il trasporto di colture o materie prime.

Ottimizzazione delle prestazioni GNSS

I robot mobili progettati per il trasporto di un carico come i prodotti al dettaglio per la consegna a domicilio, i componenti all’interno delle fabbriche o i semi da piantare su un terreno agricolo tendono ad essere relativamente grandi. Anche se l’energia non deve essere sprecata, le limitazioni di potenza sono meno stringenti di quanto non succeda con altri dispositivi intelligenti connessi. Il sistema satellitare globale di navigazione (GNSS) può essere progettato per fornire le migliori prestazioni possibili, con un’antenna di dimensioni ottimizzate per una ricezione potente e circuiti di ricezione progettati in modo da avere una sensibilità ottimale. Inoltre, collocando l’antenna in posizione di rilievo su una superficie esterna del veicolo idonea, nella maggior parte dei casi è possibile garantire la migliore visuale diretta verso cielo. Mouser Electronics offre una selezione di antenne GNSS, tra cui l’ antenna GNSS XAHP.50 Colosseum X Active Multiband di Taoglas (Figura 1), ottimizzata per diverse applicazioni, come i veicoli autonomi, in cui è possibile il montaggio esterno.

Figura 1: Le antenne GNSS per veicoli sono adatte per il montaggio esterno. (Fonte: Mouser Electronics)

Utilizzando una costellazione GNSS singola, si può ottenere una precisione da tre a dieci metri. Il tracciamento multi-costellazione può migliorare la precisione fornendo più satelliti da cui calcolare le posizioni. Sono disponibili numerosi altri servizi per migliorare l’accuratezza, ad esempio i servizi differenziali e la cinematica in tempo reale (RTK), che trasmettono dati per correggere fattori come l’interferenza atmosferica e la deriva del clock del satellite, che possono ridurre gli errori di localizzazione entro un metro. Il posizionamento assoluto di precisione (PPP), il potenziamento basato su satellite e il potenziamento basato su infrastrutture terrestri sono i principali sistemi utilizzati per la navigazione aerea e aiutano a migliorare la precisione dei sistemi di posizionamento.

I segnali satellitari possono oscurarsi per vari motivi, in base all’applicazione. I robot per consegne che operano nelle città e nei paesi possono essere esposti al ben documentato problema dei canyon urbani o quando si muovono nei sottopassaggi o nei tunnel. I robot agricoli possono incontrare problemi con la copertura provocata dagli alberi, che può dipendere dalla stagione. I robot che operano in aree coperte come i magazzini di grandi dimensioni, o che si muovono tra aree esterne e interne, possono fruire di un servizio non uniforme.

Gli pseudosatelliti, o pseudoliti, possono essere installati a terra per imitare i segnali satellitari, garantendo in questo modo la disponibilità in aree in cui la connessione diretta con i satelliti è notoriamente difficile. In alternativa, per eseguire un processo supplementare di dead reckoning, un approccio comune consiste nell’utilizzare sensori inerziali a bordo di un robot per compensare il segnale satellitare compromesso o assente. La consapevolezza della posizione può essere ottenuta anche utilizzando segnali radio provenienti da reti pubbliche o private.

Reti RF con localizzazione

Con le reti cellulari LTE, i protocolli NB-IoT di 3GPP consentono di utilizzare vari metodi di posizionamento, tra cui il protocollo di localizzazione e posizionamento (LPP), la differenza di tempo di arrivo osservata (OTDOA) e l’ID della cella (E-CID), oltre ai segnali di riferimento per il posizionamento a banda stretta (NPRS). Il supporto per questi servizi può dipendere dal gestore di rete. Le reti LoRa sono in grado anche di determinare il calcolo del ritardo di localizzazione in base alle informazioni sui tempi  che vengono raccolte e trasmesse dai gateway di rete. Moduli come ABZ LoRa® di Murata (Figura 2), che integra un microcontrollore, un ricetrasmettitore wireless, uno switch RF e un chip di bilanciamento, possono aiutare a configurare rapidamente le connessioni LoRa e a iniziare a valutare le capacità di geolocalizzazione.

Figura 2: Il modulo ABZ LoRa® di Murata offre pin dedicati e GPIO per collegare i sensori e può essere ordinato con un elemento di sicurezza opzionale. (Fonte: Mouser Electronics)

Le capacità di trasmissione a lungo raggio di LoRa e NB-IOT, che offrono vantaggi in molte applicazioni, tendono a mettere in discussione la precisione dei calcoli del ritardo di posizionamento. Per superare questo limite, i gestori di robot possono valutare se configurare le loro reti 5G private per fornire servizi di comunicazione e localizzazione. In alternativa, sono possibili la localizzazione a banda ultra larga (UWB) e il posizionamento indoor con Bluetooth®. Una rete UWB può essere costituita posizionando a pochi metri di distanza delle stazioni base, o ancore, per garantire una localizzazione precisa in base ai calcoli del ritardo. La potenza del segnale UWB aiuta anche a ridurre gli errori multipath che possono interessare i segnali di localizzazione più deboli come il GNSS.

Mentre Bluetooth® ha supportato il posizionamento approssimativo mediante calcolo, le più recenti specifiche Bluetooth® 5.x aggiungono l’individuazione della direzione per aumentare la precisione possibile fino a un metro, attraverso le indicazioni sulla potenza del segnale ricevuto (RSSI). Queste includono l’angolo di arrivo (AoA) e l’angolo di partenza (AoD). La ricerca della direzione AoA viene eseguita sull’ancora, che contiene una matrice di antenne e calcola la posizione di un dispositivo mobile trasmittente in base alle differenze di fase osservate nel momento in cui il segnale viene ricevuto dalle diverse antenne. Il metodo AoA è adatto per la localizzazione e il tracciamento in tempo reale. Nel metodo AoD, il dispositivo mobile osserva le differenze di fase tra i segnali ricevuti dalle antenne dell’ancora. Il metodo AoD è adatto per la navigazione e l’orientamento. Il kit di esplorazione u-blox XPLR-AOA-1 è un kit pronto all’uso per aiutare gli sviluppatori a sperimentare il rilevamento della direzione Bluetooth®.

Conclusioni

I robot stanno diventando mobili per rispondere alle esigenze delle aziende di maggiore produttività e alla richiesta di servizi migliori da parte dei loro clienti. I robot mobili diventeranno una presenza sempre più frequente all’interno di siti industriali, aree urbane e spazi agricoli, per trasportare materie prime, componenti e prodotti finiti. In questi ambienti non strutturati, l’auto-localizzazione è fondamentale sia per la funzionalità che per la sicurezza, per evitare la collisione con gli esseri umani e con fonti di pericolo rappresentate dai veicoli a motore o dagli animali.

Anche se il GNSS è una soluzione ovvia e ben collaudata, la disponibilità potrebbe essere ben lontana da quella ideale. Esistono vari approcci per compensare, tra cui i servizi satellitari potenziati, gli pseudoliti, il dead reckoning con sensori inerziali, e le reti a lungo raggio o le reti private RF come UWB e le più recenti funzionalità di ricerca della direzione basata su Bluetooth®.

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Redazione Fare Elettronica