La guida autonoma dei veicoli mobili con il codice QR

La localizzazione e la navigazione sono fondamentali problemi della robotica mobile e, in generale, dei veicoli a guida autonoma. In questo articolo, viene descritto un approccio ad un metodo di localizzazione e navigazione per la guida autonoma di un veicolo mobile in un ambiente interno (indoor) basato sull’acquisizione video ed elaborazione di codici QR (Quick Response). In questo approccio, i codici QR vengono utilizzati come punti di riferimento globali della posizione del veicolo. Le informazioni sulla posizione sono memorizzate nei codici QR posizionati strategicamente nell'ambiente operativo lungo un prestabilito percorso. Per questo scopo, il veicolo mobile è dotato di una telecamera industriale puntata verso il soffitto su cui sono disposte le etichette dei codici QR per poterle leggere ad alta velocità durante il percorso. La posizione del veicolo viene stimata secondo la relazione posizionale tra i codici QR e il veicolo. Ai fini della navigazione senza collisioni con ostacoli, in questo approccio viene previsto l’impiego di un telemetro laser (il sensore LiDAR) per costruire una mappa in un ambiente sconosciuto e rilevarne gli ostacoli. Gli algoritmi Dijkstra e il DWA (Dynamic Window Approach) vengono applicati nella pianificazione del percorso sulla base di una mappa a griglia 2D.

Introduzione

La localizzazione e la navigazione dei veicoli mobili sono state studiate da molti ricercatori nel settore della robotica mobile, ma possono interessare anche il settore dei veicoli mobili a guida autonoma. Inoltre, la precisione della localizzazione ha un'influenza diretta sulla precisione della navigazione, quindi un veicolo mobile può essere in grado di eseguire compiti assegnati rapidamente e correttamente proprio grazie all'elevata precisione della localizzazione. In generale, i metodi di localizzazione indoor sono principalmente classificati in localizzazione relativa e localizzazione assoluta. La tecnologia di localizzazione relativa di solito utilizza la navigazione stimata e la navigazione inerziale per il calcolo della posizione del veicolo. I metodi della localizzazione relativa vengono utilizzati per stimare la distanza totale percorsa da un punto di partenza, tuttavia, l'errore di stima verrà accumulato nel tempo. Per migliorare la precisione della localizzazione, molti approcci sono stati considerati combinando tipi di sensori esterni, come sonar, beacon, telecamere, odometria, telemetri laser e GPS. Con l'arrivo di sensori di nuovo tipo, i ricercatori hanno cercato di utilizzare quei sensori per risolvere il problema di localizzazione, e un modo interessante si è rivelato quello di utilizzarli per la localizzazione assoluta. In recenti ricerche, i punti di riferimento sono ampiamente utilizzati nella localizzazione di veicoli mobili per interni. Ci sono due tipi di punti di riferimento: punti di riferimento naturali e punti di riferimento artificiali. Il vantaggio per i punti di riferimento naturali è che non hanno bisogno di cambiare ambiente. Ma discriminare i punti di riferimento naturali nell'ambiente reale è piuttosto difficile. Quindi, per riconoscere punti naturali di riferimento, un semplice metodo di approccio, ad esempio, ha utilizzato le lampade come punti di riferimento naturali per implementare un sistema di localizzazione e navigazione indoor in ambienti simili a uffici. Come punto di riferimento tipico nei metodi di localizzazione assoluta, il codice QR viene applicato negli ambienti indoor principalmente a causa della memorizzazione di grandi quantità di informazioni. Inoltre, il codice QR è piccolo, a basso costo, facile da realizzare e di semplice implementazione. Per mezzo del sensore della telecamera, sono utilizzati i codici QR come punti di riferimento per un'accurata localizzazione assoluta. E’ stata già realizzata un'applicazione con codici QR come punti di riferimento per la navigazione del robot mobile nell’industria, ma il metodo di visualizzazione del codice QR non è ampiamente utilizzato a causa anche del movimento rapido del robot mobile che produce errori di posizionamento dei punti di riferimento nel sistema. E’ stato sperimentato un metodo combinando funzioni di riprese video dello smartphone a bordo del robot mobile in cui sono stati forniti codici QR per i riferimenti di posizione e sensori di portata ultrasonica per evitare ostacoli. In questa applicazione, il robot deve rallentare sensibilmente quando si avvicina ai codici QR per poterli leggere correttamente poiché la telecamera dello smartphone non riesce a rilevare i codici QR se il robot si muove velocemente. Inoltre, i codici QR avevano lo scopo di aumentare la precisione nel determinare la posizione del robot, non per dati di assoluta in tempo reale. Di conseguenza, si può rilevare che uno dei problemi dell'utilizzo dei codici QR per la localizzazione e navigazione di un veicolo mobile è che la probabilità di riconoscimento è tanto ridotta quanto più piccola è la dimensione del codice QR nel campo visivo della telecamera, o quanto più velocemente si muove il veicolo. Un altro aspetto è quello di considerare le risorse di elaborazione disponibili in tempo reale in situazioni critiche come quella sopra descritta. Nel metodo descritto in questo articolo, una telecamera industriale con un tempo di esposizione adeguato viene posizionata a bordo di un veicolo mobile e puntata verso il soffitto su cui sono distribuiti i codici QR, il che rende il codice QR facilmente rilevabile. Allo stesso tempo, i codici QR sono posizionati strategicamente sul soffitto per fornire informazioni sulla posizione globale del veicolo. Inoltre, un veloce algoritmo di riconoscimento non solo migliora la probabilità di riconoscimento del codice QR, ma riduce anche il tempo di calcolo dell’informazione acquisita. Pertanto, la posizione temporale corrente del veicolo mobile può essere rapidamente stimata e utilizzata come dati di input per la navigazione di altri veicoli. Per ridurre l'errore di localizzazione, viene prevista anche la calibrazione della telecamera. Inoltre, per la navigazione del veicolo viene posizionato un sensore LiDAR per la creazione di mappe 2D e il rilevamento di oggetti nell’ambiente interno. Nel processo di costruzione di una mappa, viene realizzata una mappa a griglia utilizzando la localizzazione assoluta.

Il sistema di visione del codice QR

Il sistema di visione in questo approccio si basa su una telecamera industriale montata su un veicolo mobile per riconoscere i codici QR. Lo scopo principale del sistema di visione è di ottenere informazioni dai codici QR, comprese informazioni decodificate sull'orientamento del veicolo mobile. Per fare ciò, l'intero processo può essere suddiviso in tre fasi. Il primo passo è la calibrazione della telecamera per ottenere i parametri della telecamera stessa. Il secondo passaggio è la codifica del codice QR. Quindi, i codici QR vengono generati da un software di generazione del codice e posizionati al soffitto in una distribuzione atta a formare una griglia 2D. Il passaggio finale è la decodifica dei codici QR. Successivamente, le informazioni decodificate e le informazioni di orientamento contenute nei codici QR vengono utilizzate come riferimenti per la localizzazione assoluta del veicolo mobile.

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