Система управления вилочными погрузчиками на основе 3D-лидаров

Преимущества решения

Традиционная система навигации включает магнитные ленты, штрихкоды, отражатель света и алгоритм 2D-SLAM. Новое решение для высокоточной навигации базируется на функциональных возможностях 3D-лидаров и алгоритмов 3D-SLAM.

К основным преимуществам решения относятся:

• Гибкое развертывание и удобство в использовании. 3D-лидар осуществляет сканирование окружающей среды и локализацию в режиме реального времени, поэтому система не требует дорогостоящих вспомогательных компонентов. Для расширения сценариев работы необходима лишь дополнительная калибровка и картографирование.
• Адаптация к окружающей среде. Трехмерный метод SLAM обеспечивает одновременную локализацию и построение карты для вилочных погрузчиков как внутри помещения, так и снаружи. Использование искусственного интеллекта и лазерное детектирование палет с грузом создают необходимые условия для осуществления погрузочно-разгрузочных работ на складе.
• Стабильная работа. Метод 3D-SLAM реализует высокую точность локализации и навигации даже в сложных производственных условиях, что делает его оптимальным вариантом для эксплуатации на складах различных классов.
• Высокая эффективность. Системы автоматизации MES/ERP в комбинации с системой управления автопарком создают все условия для эффективной автономной работы, сокращая финансовые и временные издержки.

Процесс развертывания системы автономных вилочных погрузчиков

1. Подготовка оборудования. На первом этапе необходимо выбрать подходящие вилочные погрузчики, для которых будет настроена автоматизированная система управления в соответствии с планировкой склада и размерами стеллажей и палет с грузом. Кроме этого, на данном этапе проходит сбор информации о расположении, этажности, высоте и других характеристиках палет для дальнейшего глубинного обучения ИИ.
2. Проверка работоспособности и калибровка функциональных модулей. Следующий этап — тестирование и калибровка функциональных модулей каждого выбранного вилочного погрузчика. Комплексное тестирование предусматривает проверку точности картографирования, навигации и локализации палет, а также работоспособность систем автономной обработки грузов и предотвращения препятствий на пути. Перед запуском всей системы пользователь должен убедиться в возможности погрузчика выполнять полные рабочие циклы — от штабелирования груза на деревянные палеты до его разгрузки и возвращения к стеллажу.
3. Развертывание на месте. На третьем этапе развертывания системы автономных вилочных погрузчиков необходимо выполнить следующие действия:

• • Разделить складское помещение на отдельные рабочие зоны с учетом его планировки.
  • Выбрать вилочный погрузчик, чтобы составить карту склада и запланировать маршрут.
  • Сопоставить карту в виде трехмерного облака точек с выбранной рабочей зоной и сохранить эти данные в системе управления автопарком. В дальнейшем это позволит получать точную информацию о текущем положении погрузчика.
  • Поделиться картой с каждым подключенным автономным вилочным погрузчиком для их дальнейшей синхронизации.

4. Процесс обработки груза. Далее в систему управления автопарком поступает сформулированная задача для конкретного вилочного погрузчика (рис. 1). Пользователь задает дату, номер загрузочной и разгрузочной станции, номер вилочного погрузчика, маршрут следования, код палеты и т. д.

Рис. 1. Схема задачи для автономного вилочного погрузчика

Когда задача будет завершена, вилочный погрузчик вернется на док-станцию для зарядки или приступит к выполнению следующей задачи.

Познакомимся с основными компонентами данного решения.

Архитектура системы автономных вилочных погрузчиков

Как видно на рис. 2, автономная система вилочных погрузчиков состоит из двух основных компонентов — системы контроля кузова погрузчика и системы управления складским автопарком, которая развертывается на фоновом сервере и получает данные через системы автоматизации ERP/MES. Эта информация позволяет оценить рабочее состояние используемых погрузчиков и организовать их совместное функционирование.

Рис. 2. Архитектура системы автономных вилочных погрузчиков

Автономная система контроля кузова погрузчика представляет собой независимый исполнительный блок, получающий информацию от системы управления автопарком через сеть 4G/5G. Она необходима для осуществления навигации погрузчика в режиме реального времени. Кроме того, данная система контроля передает информацию о рабочем состоянии погрузчика в системы управления автопарком и складом через беспроводные каналы связи.

Автономная система контроля кузова вилочного погрузчика

Автономная система контроля кузова является самостоятельным исполнительным блоком и координирует погрузочно-разгрузочные работы и навигацию транспорта в соответствии с целями, назначенными единой системой управления автопарком. Она содержит систему локализации и навигации, модуль обработки грузов, модуль интеграции датчиков и контроля движения, автономный грузовой модуль, модуль распознавания груза, модуль защиты и оповещения, автономный грузовой модуль и модуль самозарядки (рис. 3).

Рис. 3. Компоненты автономной системы контроля кузова вилочного погрузчика

Модуль локализации и навигации

Модуль локализации и навигации — ядро автономной системы контроля кузова вилочного погрузчика которое выполняет функции картографирования с помощью 3D-лидара, локализации SLAM, точной локализации мультисенсоров (одометр, IMU и т. д.), а также построение маршрута и контроль траектории.

К ключевым особенностям построения 3D-карты с помощью лидара можно отнести:

• большую площадь картирования: до 1 млн м²;
• высокое разрешение сетки: 5 см;
• возможность редактирования карты с установкой виртуальных стен;
• функцию замкнутого цикла, базирующегося на алгоритме сопоставления карт.

Рис. 4. Принцип локализации автономного вилочного погрузчика

Сопоставление облака точек 3D-лидара с картографическими данными SLAM и информацией, полученной с одометра и IMU, обеспечивает высокоточную локализацию вилочных погрузчиков (рис. 4, 5).

Рис. 5. Сопоставление облака точек 3D-лидара и карты в режиме реального времени

Система мультисенсорной локализации имеет целый ряд преимуществ:

• выходная частота локализации составляет 50 Гц, что соответствует требованиям локализации при движении;
• при съемке в помещении средняя точность локализации составляет ±2 см, а повторная точность не менее ±1 см;
• при использовании на улице средняя точность локализации составляет ±5 см, а повторная точность не менее ±2 см.

Гибридный алгоритм построения маршрута позволяет проложить оптимальный путь погрузчику (рис. 6), учитывая цели и задачи, поставленные единой системой управления автопарка. В процессе построения маршрута учитывается информация о препятствиях во избежание столкновений и поломки оборудования.

Рис. 6. Отображение планирования пути и управления траекторией

Модуль интеграции датчиков и контроля движения

Программное обеспечение также включает встроенные датчики, модуль движения, контроллер двигателя и дополнительные компоненты, определяющие параметры движения (к примеру, линейную и угловую скорость). Платформа STM32 является основным контроллером платы управления, которая адаптируется к приводам различных производителей.

Автономный грузовой модуль обработки материалов

С помощью модуля распознавания груза, функции самолокализации и данных датчика грузоподъемника автономный модуль обработки позволяет контролировать движение транспорта в процессе захвата и отгрузки.

Модуль распознавания грузов

В качестве модуля распознавания груза чаще всего используют либо камеру глубины, либо ее комбинацию с 2D-лидаром. Для идентификации отверстий палеты, на которой находится груз, применяются методы глубинного обучения нейронной сети (рис. 7). Обучение позволяет лидару выводить точные координаты положения отверстий, чтобы погрузчик осуществил захват груза на свои вилы.

Рис. 7. Идентификация деревянных палет с помощью искусственного интеллекта

Модуль защиты и оповещения

Для безопасного передвижения погрузчика используется трехступенчатая система безопасности на базе лидара (рис. 8). Дополнительные датчики обеспечивают защиту от падения и столкновения с другими препятствиями. Звуковая и визуальная сигнализации мгновенно информируют о сбоях в работе погрузчика и позволяют вовремя внести корректировки в его работу.

Рис. 8. Настройка зоны защиты с помощью лидара для предотвращения столкновений

Модуль наблюдения за питанием и самозарядкой

Встроенная система AD на панели управления отслеживает уровень мощности автономных вилочных погрузчиков в режиме реального времени. В случае когда уровень мощности опускается ниже заданного значения, информация передается в систему управления автопарком. В свою очередь система управления автопарком отправляет команду о возвращении вилочных погрузчиков в указанную зону для подзарядки.

Система управления автопарком

Система управления автопарком (рис. 9) помогает организовать эффективную работу и взаимодействие автономных вилочных погрузчиков. В соответствии с целями, заданными с помощью ERP/MES, рабочим состоянием погрузчиков и картой складского помещения система управления автопарком формирует индивидуальные задачи и план маршрута для каждого подключенного погрузчика. Задачи и маршруты подвергаются предварительной оценке с учетом затрачиваемого времени и эффективности.

Рис. 9. Интерфейс системы управления автопарком версии 1.0

В общем случае система управления автопарком состоит из следующих программных модулей.

Управление MES/ERP и интерфейсное программное обеспечение

ERP и система управления складом являются главным компонентом системы автоматизации. Интерфейсный протокол связи между ERP и системой управления автопарком формируется на основе запроса предприятия об автономной обработке материалов. Система управления автопарком получает цели, созданные ERP/MES, и обратную связь через встроенный интерфейс.

Программное обеспечение интерфейса связи автономных вилочных погрузчиков

Программное обеспечение интерфейса связи обеспечивает обмен данными между системой управления автопарком и автономными вилочными погрузчиками с помощью 4G/5GEthernetTCP. Таким образом задачи и план маршрута отправляются вилочным погрузчикам, которые в свою очередь осуществляют обратную связь в режиме реального времени.

Программное обеспечение для отображения взаимодействия человека и машины

Специально разработанное программное обеспечение выполняет гибкое взаимодействие между пользователем и автономным погрузчиком. Оно позволяет отображать текущее местоположение и условия работы вилочного погрузчика. Кроме того, программное обеспечение дает возможность создавать отчеты по итогам работы, вести запись в журналах и быстро находить нужные сведения о конкретном погрузчике.

Аппаратная архитектура системы автономных вилочных погрузчиков

Аппаратный модуль системы автономных вилочных погрузчиков служит операционной платформой для программных модулей (рис. 10). Система объединяет данные, полученные с помощью датчиков, лидаров, камер, ультразвуковых и инфракрасных радаров. Высокопроизводительный процессор реализует точное картографирование и локализацию. Совместная работа с фоновым сервером осуществляет развертывание системы управления автопарком, модуля управления складом и API для предоставления доступа клиенту и использования возможностей вилочных погрузчиков во всех сценариях работы.

Рис. 10. Аппаратный модуль системы автономных вилочных погрузчиков

Заключение

Решение для вилочных погрузчиков позволяет автоматизировать работу склада и сделать процесс погрузки и разгрузки товара более быстрым и эффективным. Ключевым элементом системы являются современные 3D-лидары, которые поставляет, например, НПК «Фотоника». Для подобных целей хорошо подходит представитель нового поколения многолинейных твердотельных лидаров CH128X1. Компактный корпус высотой в 75 мм может быть установлен практически на любой складской транспорт, в том числе и на вилочные погрузчики. Максимальная дальность сканирования составляет 160 м, что дает возможность использовать такой лидар как на небольших складах, так и в просторных помещениях крупных производств.