La navigazione dei robot mobili basata sulla tecnologia LiDAR

La rapida crescita del mercato della robotica mobile sta portando ad una crescente domanda di soluzioni a basso costo per la navigazione robotica. L'hardware tradizionalmente utilizzato per questa funzione è piuttosto costoso e spesso sovra dimensionato per l'applicazione specificata. Questa situazione ha dato origine ad una nuova classe di dispositivi LiDAR appositamente costruiti e volti a ridurre drasticamente i costi di ingresso nei sistemi robotici in grado di navigare. Questo articolo vuole essere una panoramica sulla navigazione robotica mobile basata sul dispositivo LiDAR.

Introduzione

La robotica mobile è un'area tecnologica e di ricerca che ha attirato molta attenzione negli ultimi anni. I robot mobili sono anche ampiamente utilizzati in molti campi come la pulizia automatica, l'agricoltura, i servizi medici, l'esplorazione spaziale, l'esercito, i trasporti intelligenti e l'intrattenimento. Per far funzionare autonomamente il robot mobile in questi campi, il robot deve essere in grado di navigare in autonomia. Per ottenere la navigazione autonoma del robot, l'esatta postura del robot nell'ambiente deve essere ottenuta mediante posizionamento, ovvero il robot può essere considerato come un essere vivente che si muove nell'ambiente circostante e, in base all'ambiente, determina le proprie coordinate nell'ambiente stesso e nella direzione che deve prendere durante la navigazione. Pertanto, la tecnologia di navigazione è una questione chiave nel campo della ricerca sui robot mobili. I robot mobili entrano sempre più in tutte le sfere della vita: industria, medicina, casa, magazzini, ristoranti, hotel e altro ancora. L'incremento dell'uso e dei servizi richiesti dai robot mobili porta ad aumentarne i requisiti. Devono operare in modo sicuro e affidabile svolgendo vari compiti. Questo è relativamente facile da realizzare in un ambiente statico, come nei capannoni o nei locali industriali, dove tutto l'ambiente è precedentemente definito. Tuttavia, quando si tratta di un ambiente dinamico in cui i robot interagiscono tra loro, così come con altri robot, macchine e persone, è molto più difficile raggiungere e soddisfare i criteri di sicurezza e affidabilità. Nel caso dei robot mobili, i sistemi che sono responsabili del loro movimento autonomo sono quelli per la localizzazione e navigazione. Questi sistemi, di solito, funzionano insieme e, con l'aiuto di sensori e algoritmi specializzati, riescono a controllare lo spostamento dei robot mobili da un punto all'altro. La ricerca sui problemi della localizzazione è legata alla creazione e sviluppo di algoritmi per la determinazione della posizione del robot in base a varie funzioni matematiche.

La localizzazione

La localizzazione è correlata anche alla mappatura dell’ambiente. Attraverso il riconoscimento di contorni dell'ambiente circostante si possono creare mappe dei locali che in seguito possono essere utilizzate dal sistema di navigazione. La localizzazione nei robot mobili è un problema fondamentale, per cui negli ultimi anni gli scienziati hanno proposto molte soluzioni e algoritmi. Una semplice definizione di localizzazione può essere espressa come “la localizzazione è la determinazione della posizione corrente” di un robot mobile rispetto all'ambiente circostante. La localizzazione è una componente chiave di un sistema di navigazione e la corretta esecuzione di un movimento autonomo di un robot dipende dalla precisione del suo posizionamento.

La pianificazione

Un altro aspetto importante del sistema di navigazione è la pianificazione del percorso. Questo problema dipende principalmente dalla mappa utilizzata, dai sensori del robot e dai parametri specifici del robot mobile, come ad esempio il tipo di costruzione e il grado di mobilità. Il problema principale in questa ricerca è la determinazione della localizzazione in un contesto molto ostico e in un ambiente dinamicamente mutevole, così come negli spazi ristretti. In presenza di molti oggetti nuovi e dinamici presenti sulla mappa, nel tempo aumenta molto l'errore di localizzazione. Ciò porta ad una grande deviazione nella ricerca della posizione corrente che ostacolerà il sistema di navigazione.

Le soluzioni al problema della navigazione robotica mobile comprendono tipicamente diversi componenti hardware e software, tra cui:

• Localizzazione
• Mappatura
• Pianificazione del percorso
• Rilevamento ed evitamento degli ostacoli
LiDAR

  • Localizzazione: è il processo per determinare la posizione del robot rispetto agli oggetti nel suo ambiente.
  • Mappatura: è il processo di costruzione di mappe basate sui dati acquisiti da uno o più sensori.
  • Pianificazione del percorso: è il processo di determinazione di un percorso che il robot deve seguire per raggiungere un obiettivo, ovvero il luogo che si desidera verso cui il robot vada.
  • Rilevamento dinamico degli ostacoli: è il processo di rilevamento di oggetti che non erano presenti nell'ambiente durante il processo di mappatura, ma che correntemente sono comunque presenti.
  • Evitamento degli ostacoli: è il processo di pianificazione del percorso attorno a oggetti che si posizionano dinamicamente.

Tutti i componenti sopra elencati, messi insieme, realizzano il sistema di navigazione di un robot mobile.

LiDAR (Light Detection And Ranging) è un sensore simile al radar che usa la luce invece delle onde radio.

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