Comment la fusion de capteurs permet aux AMR de manœuvrer efficacement dans les usines

Avec l'augmentation du nombre de personnes et de robots mobiles autonomes (AMR), également appelés robots mobiles industriels (IMR), travaillant dans la même zone, de multiples risques inhérents à la sécurité doivent être pris en compte. Le fonctionnement sûr et efficace des AMR est trop important pour s'appuyer sur une seule technologie de capteur.

La fusion multicapteur, ou simplement « fusion de capteurs », combine des technologies telles que la télémétrie laser (LIDAR), les caméras, les capteurs à ultrasons, les capteurs d'obstacles laser et la radio-identification (RFID) pour prendre en charge une gamme de fonctions AMR, notamment la navigation, la planification des trajectoires, l'évitement des collisions, la gestion des stocks et le soutien logistique. La fusion de capteurs consiste également à alerter les personnes à proximité de la présence d'un AMR.

Pour répondre au besoin d'un fonctionnement sûr et efficace des AMR, l'American National Standards Institute (ANSI) et l'Association for Advancing Automation (A3), anciennement Robotic Industries Association (RIA), travaillent au développement de la série de normes ANSI/A3 R15.08. Les versions R15.08-1 et R15.08-2 ont été publiées, et ciblent les exigences de sécurité de base et l'intégration des AMR dans un site. La norme R15.08-3 est actuellement en cours de développement et étendra les exigences de sécurité pour les AMR, y compris des recommandations plus détaillées sur l'utilisation de la fusion de capteurs.

En prévision de la norme R15.08-3, cet article passe en revue certaines des meilleures pratiques actuelles liées à la sécurité et à la fusion de capteurs dans les AMR, en commençant par un bref aperçu des exigences de sécurité fonctionnelle actuellement utilisées avec les AMR, y compris les normes de sécurité industrielle génériques telles que CEI 61508, ISO 13849 et CEI 62061, ainsi que les exigences de sécurité pour la détection de présence humaine telles que CEI 61496 et CEI 62998. Il présente ensuite une conception AMR typique détaillant les nombreuses technologies de capteurs, puis présente des dispositifs représentatifs et examine comment ils prennent en charge des fonctions telles que la navigation, la planification de trajectoires, la localisation, l'évitement des collisions et la gestion des stocks/le soutien logistique.

Bien, mieux, meilleur

Les concepteurs d'AMR doivent prendre en compte toute une série de normes de sécurité, à commencer par les normes de sécurité fonctionnelle à usage général telles que CEI 61508, ISO 13849 et CEI 62061. Il existe également des normes de sécurité plus spécifiques liées à la détection de la présence humaine, telles que CEI 61496, CEI 62998 et la série de normes ANSI/A3 R15.08.

La norme CEI 61496 fournit des instructions pour différents types de capteurs. Elle fait référence à la norme CEI 62061, qui spécifie les exigences et formule des recommandations pour la conception, l'intégration et la validation des équipements de protection électro-sensibles (ESPE) pour les machines, y compris les niveaux d'intégrité de sécurité (SIL), et à la norme ISO 13849 qui couvre la sécurité des machines et les parties des systèmes de commande relatives à la sécurité, y compris les niveaux de performances (PL) de sécurité (Tableau 1).

Tableau 1 : Exigences de sécurité pour les ESPE par type selon la norme CEI 61496. (Source du tableau : Analog Devices)

La norme CEI 62998 est plus récente et peut souvent constituer un meilleur choix car elle comprend des conseils sur la mise en œuvre de la fusion de capteurs, l'utilisation de l'intelligence artificielle (IA) dans les systèmes de sécurité et l'utilisation de capteurs montés sur des plateformes mobiles en dehors de la couverture de la norme CEI 61496.

La norme R15.08 Partie 3, lorsqu'elle sera publiée, pourrait faire de la série R15.08 la meilleure version car elle ajoutera des exigences de sécurité pour les utilisateurs de systèmes AMR et d'applications AMR. Parmi les sujets probables figurent la fusion de capteurs et une validation et des tests plus complets de la stabilité des AMR.

Fonctions de fusion de capteurs

La cartographie du site est un aspect essentiel de la mise en service d'un AMR. Mais il ne s'agit pas d'une activité ponctuelle. Cela fait partie d'un processus continu appelé localisation et cartographie simultanées (SLAM), parfois appelé localisation et cartographie synchronisées. Il s'agit du processus de mise à jour continue de la carte d'une zone pour détecter tout changement tout en gardant une trace de l'emplacement du robot.

La fusion de capteurs est nécessaire pour prendre en charge le processus SLAM et permettre le fonctionnement sûr des AMR. Tous les capteurs ne fonctionnent pas de la même manière dans toutes les circonstances d'exploitation, et différentes technologies de capteurs produisent différents types de données. L'IA peut être utilisée dans les systèmes de fusion de capteurs pour combiner des informations sur l'environnement d'exploitation local (l'environnement est-il brumeux ou enfumé, humide, quelle est la luminosité ambiante, etc.) et permettre d'obtenir un résultat plus significatif en combinant les résultats de différentes technologies de capteurs.

Les éléments capteurs peuvent être classés par fonction ainsi que par technologie. Les exemples de fonctions de fusion de capteurs dans les AMR incluent notamment (Figure 1) :

• Les capteurs de distance tels que les codeurs sur roues et les unités de mesure inertielle utilisant des gyroscopes et des accéléromètres aident à mesurer le mouvement et à déterminer la distance entre des positions de référence.
• Des capteurs d'image tels que des caméras tridimensionnelles (3D) et des LiDAR 3D sont utilisés pour identifier et suivre des objets à proximité.
• Des liaisons de communication, des processeurs informatiques et des capteurs logistiques tels que des lecteurs de codes-barres et des dispositifs RFID relient l'AMR aux systèmes de gestion à l'échelle de l'installation et intègrent les informations provenant de capteurs externes dans le système de fusion de capteurs de l'AMR pour améliorer les performances.
• Les capteurs de proximité tels que les scanners laser et le LiDAR bidimensionnel (2D) détectent et suivent les objets à proximité de l'AMR, y compris les mouvements des personnes.

Figure 1 : Exemples de types de capteurs courants et d'éléments de systèmes associés utilisés dans les conceptions de fusion de capteurs AMR. (Source de l'image : Qualcomm)

LiDAR 2D, LiDAR 3D et ultrasons

Les LiDAR 2D et 3D et les ultrasons sont des technologies de capteurs courantes qui prennent en charge le processus SLAM et la sécurité dans les AMR. Les différences entre ces technologies permettent à un capteur de compenser les faiblesses des autres afin d'améliorer les performances et la fiabilité.

Le LiDAR 2D utilise un seul plan d'éclairage laser pour identifier les objets en fonction des coordonnées X et Y. Le LiDAR 3D utilise plusieurs faisceaux laser pour créer une représentation 3D très détaillée de l'environnement, appelée nuage de points. Les deux types de LiDAR sont relativement insensibles aux conditions de lumière ambiante mais requièrent que les objets à détecter présentent un seuil minimum de réflectivité de la longueur d'onde émise par le laser. En général, le LiDAR 3D peut détecter des objets à faible réflectivité avec une plus grande fiabilité que le LiDAR 2D.

Le capteur LiDAR 3D HPS-3D160 de Seeed Technology intègre des émetteurs laser à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL) haute puissance de 850 nm et un CMOS hautement photosensible. Le processeur hautes performances embarqué inclut des algorithmes de filtrage et de compensation et peut prendre en charge plusieurs opérations LiDAR simultanées. L'unité a une portée atteignant 12 mètres avec une précision centimétrique.

Lorsqu'une solution LiDAR 2D est nécessaire, les concepteurs peuvent se tourner vers le TIM781S-2174104 de SICK. Il présente un angle d'ouverture de 270 degrés avec une résolution angulaire de 0,33 degré et une fréquence de balayage de 15 Hz. Il a une portée de fonctionnement de sécurité de 5 mètres (Figure 2).

Figure 2 : Ce capteur LiDAR 2D a un angle d'ouverture de 270 degrés. (Source de l'image : SICK)

Les capteurs à ultrasons peuvent détecter avec précision des objets transmissifs comme le verre et les matériaux absorbant la lumière, que le LiDAR ne peut pas toujours voir. Les capteurs à ultrasons sont également moins sensibles aux interférences causées par la poussière, la fumée, l'humidité et d'autres conditions susceptibles de perturber le LiDAR. Cependant, les capteurs à ultrasons sont sensibles aux interférences dues au bruit ambiant et leur portée de détection peut être plus limitée que celle du LiDAR.

Des capteurs à ultrasons comme le TSPC-30S1-232 de Senix peuvent compléter le LiDAR et d'autres capteurs pour le processus SLAM et la sécurité des AMR. Ce dispositif a une portée optimale de 3 mètres, contre 5 mètres pour le LiDAR 2D et 12 mètres pour le LiDAR 3D présentés ci-dessus. Ce capteur à ultrasons compensé en température est répertorié IP68 et fourni en boîtier en acier inoxydable étanche (Figure 3).

Figure 3 : Capteur à ultrasons étanche avec portée optimale de 3 mètres. (Source de l'image : DigiKey)

La fusion de capteurs fait généralement référence à l'utilisation de plusieurs capteurs discrets. Mais dans certains cas, plusieurs capteurs sont regroupés en une seule unité.

Trois capteurs en un

La perception visuelle avec deux caméras pour produire des images stéréoscopiques ainsi qu'un traitement d'image basé sur l'IA et le ML peuvent permettre à l'AMR de voir l'arrière-plan et d'identifier les objets à proximité. Des capteurs incluant des caméras de profondeur stéréo, une caméra couleur séparée et une IMU dans une seule unité sont disponibles.

Les caméras de profondeur stéréo telles que les caméras de profondeur D455 RealSense d'Intel RealSense utilisent deux caméras séparées par une ligne de base connue pour détecter la profondeur et calculer la distance jusqu'à un objet. L'une des clés de la précision réside dans l'utilisation d'une structure en acier robuste qui garantit une distance de séparation exacte entre les caméras, même dans les environnements industriels exigeants. La précision de l'algorithme de perception de profondeur dépend de la connaissance de l'espacement exact entre les deux caméras.

Par exemple, la caméra de profondeur 82635DSD455MP a été optimisée pour les AMR et les plateformes similaires, et a étendu la distance entre les caméras à 95 mm (Figure 4). Cela permet à l'algorithme de calcul de profondeur de réduire l'erreur d'estimation à moins de 2 % à 4 mètres.

Figure 4 : Ce module inclut des caméras de profondeur stéréo séparées de 95 mm, une caméra couleur distincte et une IMU. (Source de l'image : DigiKey)

Les caméras de profondeur D455 incluent également une caméra couleur (RVB) distincte. Un obturateur global pour jusqu'à 90 images par seconde sur la caméra RVB, adapté au champ de vision (FOV) de l'imageur de profondeur, améliore la correspondance entre les images couleur et les images de profondeur, augmentant ainsi la capacité à comprendre l'environnement. Les caméras de profondeur D455 intègrent une IMU à six degrés de liberté qui permet à l'algorithme de calcul de profondeur d'inclure la vitesse de mouvement de l'AMR et de produire des estimations de perception de profondeur dynamiques.

Éclairer et avertir

Les lumières clignotantes et les alertes sonores pour les personnes à proximité d'un AMR sont importantes pour la sécurité des AMR. Les lumières se présentent généralement sous la forme d'une tour lumineuse ou d'une bande lumineuse sur les côtés de l'AMR. Elles aident le robot à communiquer ses actions prévues aux humains. Elles peuvent également indiquer des états tels que le niveau de charge de la batterie, les activités de chargement ou de déchargement, l'intention de tourner dans une nouvelle direction (comme les clignotants d'une voiture), les conditions d'urgence, etc.

Il n'existe aucune norme concernant la couleur des lumières, la vitesse de clignotement ou les alarmes sonores. Ces éléments peuvent varier selon les fabricants d'AMR et sont souvent développés pour refléter les activités spécifiques de l'installation où l'AMR opère. Les bandes lumineuses sont disponibles avec et sans mécanismes d'alerte sonore intégrés. Par exemple, le modèle TLF100PDLBGYRAQP de Banner Engineering comprend un élément sonore scellé avec 14 tonalités sélectionnables et un contrôle du volume (Figure 5).

Figure 5 : Cet avertisseur à barre lumineuse inclut un élément sonore scellé (cercle noir supérieur). (Source de l'image : DigiKey)

Soutien logistique

Les AMR fonctionnent dans le cadre d'opérations plus vastes et doivent souvent s'intégrer avec des logiciels de planification des ressources d'entreprise (ERP), de système industriel d'exécution (MES) ou de système de gestion d'entrepôt (WMS). Le module de communication de l'AMR, associé à des capteurs tels que des lecteurs de codes-barres et des lecteurs RFID, permet aux AMR d'être étroitement intégrés dans les systèmes d'entreprise.

Lorsqu'un lecteur de codes-barres est nécessaire, les concepteurs peuvent se tourner vers le V430-F000W12M-SRP d'Omron, qui peut décoder les codes-barres 1D et 2D sur des étiquettes ou les codes-barres DPM (Direct Part Mark). Ce dispositif inclut une mise au point automatique à distance variable, un objectif à large champ de vision, un capteur de 1,2 mégapixel, une lumière intégrée et un traitement haute vitesse.

Le DLP-RFID2 de DLP Design est un module compact et économique pour la lecture et l'écriture d'étiquettes de transpondeur RFID haute fréquence (HF). Il peut également lire les identifiants uniques (UDI) de jusqu'à 15 étiquettes à la fois et peut être configuré pour utiliser une antenne interne ou externe. Il présente une plage de températures de fonctionnement de 0°C à +70°C, et convient donc à une utilisation dans les sites logistiques et les installations de fabrication de l'Industrie 4.0.

Conclusion

La fusion de capteurs est un outil important pour prendre en charge le processus SLAM et la sécurité dans les AMR. En prévision de la norme R15.08-3, qui pourrait inclure des références à la fusion de capteurs et à des tests et une validation plus approfondis de la stabilité des AMR, cet article a passé en revue certaines normes actuelles et meilleures pratiques pour la mise en œuvre de la fusion de capteurs dans les AMR. Cet article est le deuxième d'une série en deux parties. La première partie était consacrée à l'intégration sûre et efficace des AMR dans les opérations de l'Industrie 4.0 afin d'en tirer le meilleur parti.