RTK Technology: The Core of Accurate Positioning for Robot Mowers—But Is That Enough?

Įsivaizduokite tai: keliaudami namo po darbo, jūsų išmanusis telefonas netikėtai nustoja veikti kaip navigacijos prietaisas. Ar vis dar galite rasti kelią namo? GNSS (Global Navigation Satellite System) technologija gali pasirodyti nepastebima, tačiau ji yra būtina norint nustatyti savo buvimo vietą, naviguoti ir tyrinėti mus supančią aplinką. Jos tikslumas ir patogumas yra įsišakniję mūsų kasdieniame gyvenime.

Įkvėptas to, RTK (Real-Time Kinematic), kuris remiasi GNSS palydovų signalais kaip pagrindiniu pozicionavimo duomenų šaltiniu, tapo plačiai naudojamas robotiniuose vejapjovėse. Ši technologija leidžia šiems vejapjovėms pasiekti centimetrų tikslumą, transformuojant vejos priežiūros procesą. Tačiau ar šiandieniniai RTK pozicionavimo sistemos gali būti tokios "protingos" kaip GNSS technologija, naudojama išmaniuosiuose telefonuose? Ar jos gali efektyviai padėti robotinėms vejapjovėms tiksliai nustatyti savo vietas ir padaryti vejos priežiūrą efektyvesnę? Pažvelkime atidžiau.

1. Kokios efektyvios pozicionavimo technologijos yra prieinamos robotinėms vejapjovėms?

1.1 RTK Pozicionavimo Technologija

RTK, arba realaus laiko kinematika, yra nešiklio fazės diferencialinė pozicionavimo technologija, galinti pasiekti centimetrų lygio tikslumą, išskirianti ją iš kitų pozicionavimo sistemų. Priežastis, kodėl RTK gali pasiekti realaus laiko centimetrų lygio pozicionavimo tikslumą, slypi trijuose pagrindiniuose veiksniuose:

1.1.1 Jis naudoja nešiklio fazės matavimus kaip atstumo informaciją, kas žymiai pagerina tikslumą 2–3 tvarka, palyginti su tradiciniais pseudotolimųjų matavimais.

1.1.2 Atlikdami diferencialinius skaičiavimus su duomenimis iš netoliese esančių bazinių stočių, įvairūs sisteminiai klaidos gali būti efektyviai pašalinti.

1.1.3 Nors nešiklio fazės matavimai yra labai tikslūs, pradinės fazės neapibrėžtumas gali sukelti "sveikųjų skaičių neaiškumą", tai reiškia, kad nežinoma, kiek visiškai ciklų nešiklio bangos yra įtraukti signalų perdavimo metu. Tačiau RTK algoritmas gali tiksliai nustatyti visiškų ciklų skaičių, leidžiantis pasiekti centimetrų lygio pozicionavimo tikslumą.

Apibendrinant, RTK nešiklio fazės diferencialinė pozicionavimas sujungia didelio tikslumo nešiklio fazės stebėjimus, diferencialinius koregavimus, sveikųjų skaičių neaiškumų sprendimą ir multipath efektų slopinimą, kad būtų galima pasiekti centimetrų lygio didelio tikslumo pozicionavimą. Pavyzdžiui, jei ankstesnis tikslumas buvo dviejų Cadillac'ų ilgis, dabartinis tikslumas yra lygus nagų dydžiui - nepaprastai tikslus kieme. Dėl to robotinės vejapjovės dabar gali tiksliai apkirpti numatytas zonas, panašiai kaip šiuolaikiniai robotiniai dulkių siurbliai.

Be to, diferencialiniai signalai tarp bazinės stoties ir roverio gali būti apskaičiuojami realiuoju laiku, kad būtų teikiama korekcijos informacija, o didelio dažnio duomenų perdavimas (paprastai nuo 1 Hz iki 20 Hz) leidžia greitai atnaujinti pozicionavimą, todėl RTK sistemos turi labai greitą atsako laiką ir pasiekia milisekundžių lygio tikslumą. Be to, plati diferencialinių signalų aprėptis padeda efektyviai ištaisyti klaidas, kurias sukelia daugiakelių efektai ir aplinkos trikdžiai (tokie kaip pastatai ir medžiai), sumažinant vietinių sąlygų poveikį bendrajam pozicionavimo procesui.

Tačiau tai nereiškia, kad RTK technologija yra nepraeinama. Didelis RTK sistemų priklausomumas nuo palydovinių signalų iš bazinės stoties ir roverio daro jas pažeidžiamas pozicionavimo klaidoms, ypač vietovėse, kuriose trūksta bazinės stoties aprėpties arba kai yra kliūčių, tokių kaip medžiai. Be to, RTK sistemų nustatymas ir veikimas gali būti gana sudėtingi, reikalaujantys specializuotų žinių ir įgūdžių konfigūravimui ir priežiūrai, kas gali trukdyti šios technologijos plačiai naudojimui.

Vis dėlto ši technologija išlieka plačiausiai naudojamu pozicionavimo metodu robotizuotiems vejapjovėms, o technologijų kompanijos toliau ieško papildomų optimizavimo galimybių, tokių kaip šie metodai.

1.2  VSLAM

Kaip dar viena plačiai naudojama pozicionavimo technologija, VSLAM (Vizualinė Simultaninė Lokalizacija ir Žemėlapiavimas) vis daugiau tyrinėjama daugelio technologijų įmonių dėl savo mažos kainos ir greito prisitaikymo prie aplinkos pokyčių.

VSLAM yra technika, kuri naudoja vizualinę informaciją aplinkos lokalizavimui ir žemėlapių kūrimui. Ji integruoja kompiuterinę regą, robotiką ir jutiklių duomenis, leidžiančius realiu laiku kurti žemėlapius, tiksliai nustatant savo padėtį nežinomose aplinkose. Paprastai VSLAM naudoja įvairių tipų kameras—tokias kaip monokulinės, stereo ar RGB-D kameros—kad užfiksuotų vaizdo duomenis iš aplinkos, išskirdama pagrindines savybes, tokias kaip kampai ir kraštai, iš šių vaizdų. Ji naudoja vaizdo apdorojimo algoritmus, tokius kaip SIFT ir ORB, kad atitiktų šias savybes ir vėliau apskaičiuoja roboto pozą—jo padėtį ir orientaciją erdvėje—leidžiančią jam palaipsniui sukurti 2D arba 3D aplinkos žemėlapį.

Tai gali pasirodyti sudėtinga, tačiau pagrindinė idėja yra paprasta: robotas naudoja savo kameras, kad stebėtų aplinką judėdamas. Judėdamas jis renka vizualinius duomenis, kad sukurtų tikslią realaus laiko aplinkos žemėlapį. Šis žemėlapis leidžia robotui priimti informuotus sprendimus apie savo kitus veiksmus, remiantis aplinkos išdėstymu. Ši technologija gali būti randama įvairiuose mobiliuose robotuose, įskaitant dronus, robotinius siurblius ir autonominius transporto priemones.

Tačiau VSLAM turi savo trūkumų. Ši technologija reikalauja didelio skaičiavimo galingumo realaus laiko didelių vaizdų duomenų rinkinių apdorojimui, reikalaujant efektyvių algoritmų ir stiprios aparatūros palaikymo. Skirtingai nuo RTK technologijos, VSLAM taip pat yra pažeidžiamas aplinkos veiksnių, tokių kaip apšvietimo pokyčiai, spalvos ir peizažas. Lietus, sniegas ir dulkės gali sukelti netikslumų žemėlapių sudaryme, kas gali trukdyti roboto navigacijai. Be to, kadangi jis priklauso tik nuo sumontuotų kamerų, jo veikimo diapazonas yra šiek tiek ribotas.

1.3. Lidar Slam

Lidar SLAM yra realaus laiko lokalizacijos ir žemėlapių sudarymo metodas, kuris naudoja lazerinio radaro technologiją. Jis gali generuoti realaus laiko 2D arba 3D žemėlapius, paprastai pateikiamus kaip trimatės taškų debesys arba tinklo modeliai. Galbūt pastebėjote, kad šis metodas yra panašus į VSLAM, nes abu apima aplinkos žemėlapių sudarymą. Tačiau, skirtingai nuo VSLAM, kur robotas naudoja kameras, kad užfiksuotų aplinką, Lidar SLAM veikia remiantis Lidar jutikliu, montuojamu ant roboto. Lidar jutikliai matuoja atstumus, išskirdami lazerinius impulsus ir gaudami atspindėtus signalus, generuodami aukštos raiškos taškų debesų duomenis apie aplinką.

Kai robotas juda per savo aplinką, jis nuolat fiksuoja taškų debesų duomenis iš kiekvieno skenavimo, kad sukurtų dabartinės aplinkos žemėlapį, taip padėdamas robotui pasiekti geresnę lokalizaciją.

Palyginti su VSLAM, Lidar SLAM teikia aukštesnės raiškos aplinkos duomenis, ypač sudėtingose aplinkose, tokiose kaip miesto gatvės ir vidaus erdvės, kur jis pasiekia didesnį tikslumą nei VSLAM naudojami kamerų jutikliai. Be to, kadangi Lidar naudoja lazerius atstumui matuoti, jis nėra paveiktas apšvietimo sąlygų, patikimai veikia tiek prastai, tiek labai ryškiai apšviestose aplinkose. Apibendrinant, Lidar SLAM išsiskiria lokalizacijos galimybėmis ir demonstruoja stiprų atsparumą aplinkos trikdžiams.

Taigi, kokie yra trūkumai? Na, tai daugiausia priklauso nuo išlaidų. Dideli Lidar jutiklio duomenų kiekiai reikalauja didelės apdorojimo galios ir išteklių, kas gali apsunkinti programinės įrangos kūrimą ir padidinti išlaidas. Palyginimui, VSLAM paprastai remiasi įsitvirtinusiomis vizualinėmis algoritmomis, o gausus vizualinių jutiklių pasirinkimas suteikia daug atvirojo kodo programinės įrangos pasirinkimų. Dėl to Lidar SLAM sistema - įskaitant Lidar jutiklį, kompiuterinius įrenginius ir programinę įrangą - gali būti kelis kartus ar net kelis kartus brangesnė nei VSLAM įranga. Todėl VSLAM paprastai yra labiau prieinama gamintojams ir kasdieniams vartotojams.

1.4. UWB

UWB (Ultra-Wideband) pozicionavimas yra technologija, kuri naudoja ultra-plačių dažnių signalus santykiniam pozicionavimui ir atstumo matavimui. Ji pirmiausia taikoma patalpų pozicionavimo scenarijose, pasiekiant sub-metro arba centimetro lygio pozicionavimo tikslumą. UWB turi stiprių prasiskverbimo galimybių, efektyviai praeidama pro sienas ir kitas kliūtis, išlaikydama gerą našumą sudėtingose patalpose, tokiose kaip turto sekimas, personalo lokalizavimas ir navigacija. Ypatingai pastebima UWB savybė yra jos gebėjimas palaikyti kelių įrenginių pozicionavimą ir komunikaciją tuo pačiu metu. Dėl šių privalumų UWB taip pat pradėta naudoti lauko robotų vejapjovėse.

Tačiau jo efektyvus komunikacijos diapazonas paprastai yra gana trumpas, dažniausiai tarp dešimčių ir šimto metrų. Šis apribojimas gali reikalauti papildomų bazinių stočių ar relinių įrenginių, kurie būtų diegiami didesnėse žolės plotuose, kas gali būti ribojantis. Be to, UWB pozicionavimui reikia diegti kelias bazines stotis arba ankerių įrenginius stebimoje teritorijoje, kad būtų pasiektas tikslus pozicionavimas, kas priduria sudėtingumo ir išlaidų prie nustatymo ir priežiūros. Apibendrinant, nors jis gali būti efektyvus patalpose, lauke yra daugybė apribojimų.

Šiuo metu galite jaustis šiek tiek pasimetę: atrodo, kad nė viena iš šių sprendimų nėra tikrai patikima?

2. Ar yra optimali pozicionavimo technologijos sprendimas robotizuotiems vejapjovėms?

Analizuojant įvairių populiarių pozicionavimo technologijų privalumus ir trūkumus, aišku, kad kiekviena technologija turi savo trūkumų. Dėl to kai kurios vejapjovių robotų įmonės pasirenka derinti kelias technologijas, kad pasiektų geriausią sprendimą. Tarp aptartų variantų RTK technologija neabejotinai atlieka centrinį vaidmenį dėl savo didžiausių privalumų ir mažiausių trūkumų. Mes tiesiog turime remtis šiuo pagrindu ir įtraukti kitas technologijas, kad maksimaliai išnaudotume robotų vejapjovių pozicionavimo galimybes.

2.1. RTK + UWB? Neoptimalu

Pirmiausia, apsvarstykime, ar RTK ir UWB derinimas gali išspręsti problemas. Su RTK, kol bus išspręstos bazinės stoties aprėpties problemos, kad būtų galima gauti GNSS signalus, ir signalo trukdžių klausimai, RTK pozicionavimo galimybės neturėtų kelti abejonių. Bazinės stoties problema yra valdomas; kol toje srityje bus pakankamai GNSS palydovų, galime nustatyti pakankamą skaičių bazinių stočių, atsižvelgdami į vejapjovės poreikius, kad išspręstume galimas signalo aprėpties problemas didelėse žolės plotuose. Bet ar UWB gali spręsti signalo trukdžių problemą? Tai šiek tiek neaišku.

Antra, UWB pozicionavimui reikia, kad veikimo zonoje būtų įrengta keletas bazinių stočių arba ankerių taškų, siekiant pasiekti tikslią poziciją. Tai gali reikalauti didelių įrengimo kaštų ir laiko didelėse žolės plotuose arba sudėtingose aplinkose, paaiškinančių, kodėl tai labiau tinka vidaus pozicionavimui. Antra, nors UWB signalai turi tam tikrą prasiskverbimo gebą, jie vis tiek gali būti užblokuoti arba susilpninti tam tikrose situacijose (pavyzdžiui, tankioje augalijoje ar pastatuose), kas veikia pozicionavimo našumą.

2.2.  RTK + Lazeris? Per brangu

Ką reiškia, kai RTK pozicionavimo technologija derinama su lazeriniu pozicionavimo technologija? Iš ankstesnių diskusijų žinome, kad RTK pozicionavimas siūlo centimetrų lygio tikslumą. Brandžios technologijos, tokios kaip Lidar SLAM, taip pat turi puikų tikslumą ir atsparumą trikdžiams, tai reiškia, kad jų derinys galėtų potencialiai pasiekti pozicionavimo tikslumą, kur 1 + 1 > 2. Tačiau techninės ir priežiūros išlaidos, susijusios su tokiais rezultatais, yra nepaprastai didelės, todėl vidutiniam vartotojui tai beveik neįmanoma. Taigi, turėsime palaukti kol kas.

2.3.  RTK + VSLAM? Taip!

Taigi, ar RTK ir VSLAM derinimas gali sukurti vizualinę fuzijos pozicionavimo sistemą, kuri galų gale išsprendžia problemą? Iš techninės perspektyvos, VSLAM sprendžia RTK neišvengiamą signalo trukdį, kurį sukelia kliūtys roboto kelyje, nes jis gali nuolat kurti žemėlapį, kad padėtų mašinai išvengti kliūčių, taip sumažinant signalo trukdžius. Iš kaštų perspektyvos, VSLAM naudoja subrendusias vizualines algoritmus, kurie plačiai taikomi įvairiose srityse, žymiai sumažinant kaštus. Todėl abi problemos yra išspręstos! Tuo tarpu, RTK gali efektyviai sumažinti VSLAM technologijos trūkumus, apsaugodamas nuo galimų aplinkos trukdžių, kuriuos sukelia lietus, sniegas ar dulkės, taip maksimalizuojant pozicionavimo rezultatus, pasiektus jų derinimo dėka.

Galime paimti EFLS 2.0, naudojamą Navimow robotinė vejapjovė kaip pavyzdys, kad konkrečiai ištirtume šios technologijos taikymą.

EFLS, arba Tikslus Sujungimo Vietos Nustatymo Sistema, reikalauja mažiausiai 10 palydovų stabiliam veikimui. Ji sujungia palydovų pozicionavimą su signalais iš kelių jutiklių, kad apskaičiuotų roboto žoliapjovės realaus laiko pozicionavimą, pasiekdama centimetrų lygio tikslumą. Palydovų signalai EFLS yra gaunami iš RTK pozicionavimo, o tiek Navimow roboto žoliapjovė, tiek antena gauna šiuos signalus. Įkrovimo stotis palengvina signalų perdavimą iš antenos į žoliapjovę, leidžiant sinchroninius skaičiavimus, kurie sumažina pozicionavimo klaidas.

Tačiau palydovų signalus gali trukdyti nepalankios oro sąlygos, tokios kaip lietus ar sniegas. Norint išlaikyti tikslią pozicionavimą tokiose situacijose, vizualūs orientyrai yra integruoti į sistemą. Srityse su prasta palydovų aprėptimi kamera įsijungia, kad robotui suteiktų patikimesnį pozicionavimą. Vizualinio žemėlapiavimo procesas susideda iš trijų pagrindinių žingsnių:

1 žingsnis: Vizualinių duomenų rinkimas

Pradiniame žemėlapių sudarymo etape ir pirmo pilno pjovimo ciklo metu žoliapjovė renka vizualinius duomenis.

2 žingsnis: Vizualaus žemėlapio optimizavimas Grįžus į įkrovimo stotį, žoliapjovė automatiškai optimizuoja vizualų žemėlapį. Šis optimizavimas trunka kelias valandas ir bus sustabdytas, jei žoliapjovė paliks stotį.

3 žingsnis: Vizualinė lokalizacija

Kai RTK signalai yra silpni pjovimo operacijų metu, robotas pjovėjas palygina realaus laiko vizualines savybes su vizualinės žemėlapio duomenimis, kad apskaičiuotų savo vietą, užtikrindamas nenutrūkstamą pjovimą.

Be to, su Visionfence pagalba, robotas gali greitai reaguoti į kliūtis priešais jį per trumpą laiką, užtikrindamas efektyvų pjovimo procesą.

Dabar mėgaukimės padidėjusia efektyvumu ir išskirtine vejos priežiūros patirtimi, kurią suteikia abiejų RTK technologijų derinys Navimow robotinėje vejapjovėje.