Wie lässt sich das Problem der Hindernisvermeidung bei Robotern lösen? 2D-LiDAR- und Multisensor-Fusionslösungen
Wie lässt sich das Problem der Hindernisvermeidung bei Robotern lösen? 2D-LiDAR- und Multisensor-Fusionslösungen
Im Bereich der Roboternavigation und autonomen Fortbewegung ist die Hindernisvermeidung ein zentrales Thema. Ob Staubsaugerroboter für den Heimgebrauch, industrielles fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) oder Serviceroboter – die Fähigkeit, Hindernissen auszuweichen, bestimmt maßgeblich den Intelligenzgrad und die Funktionalität des Roboters. In den letzten Jahren hat sich 2D-LiDAR (2D-Laserradar) aufgrund seiner präzisen Entfernungsmessung und effizienten Umgebungserfassung zu einem der gängigsten Sensoren für die Hindernisvermeidung von Robotern entwickelt.
2D-LiDAR: Der zentrale Sensor zur Hindernisvermeidung für Roboter
2D-LiDAR berechnet die Entfernung zwischen Objekt und Roboter durch Aussenden von Laserstrahlen und Messen der Reflexionszeit. Es bietet folgende Vorteile:
▪️Hochpräzise Messung: 2D-LiDAR kann eine zentimetergenaue Entfernungsmessung ermöglichen und eignet sich daher für die meisten Anforderungen zur Hindernisvermeidung in flachen Umgebungen.
▪️Schnelle Umgebungserfassung: Mit einer hohen Abtastfrequenz kann 2D-LiDAR Echtzeit-Umgebungskarten erstellen, die Robotern helfen, Hindernisse in der Nähe schnell wahrzunehmen.
▪️Starke Anpassungsfähigkeit: 2D-LiDAR kann sowohl in Innen- als auch in Außenumgebungen stabil arbeiten und wird von den Lichtverhältnissen nicht beeinflusst.
Empfohlene 2D-LiDAR-Serie LD-20D
▪️20 m Scanbereich + 270° Winkel
▪️Automatisches Lernen, lernt aus der tatsächlichen Szene und überwacht das Profil
▪️Mehrbereichsüberwachung mit unabhängig festgelegten Überwachungszonen
▪️Pausenfunktion, berücksichtigt Produktionsanforderungen mit integrierten Herunterfahr- und Neustartfunktionen, um den Bewegungsstrategien der Produktionslinie zu entsprechen
▪️Externer Gerätetreiber liefert DC 30V 50mA Antriebsleistung
▪️16 Zonengruppeneinstellungen für schnelles Konfigurieren und Laden
Einschränkungen von 2D-LiDAR und die ergänzende Rolle von Ultraschallsensoren
Obwohl LiDAR bei der Hindernisvermeidung hervorragende Leistungen erbringt, stößt es auch an seine Grenzen, insbesondere bei komplexen dreidimensionalen Hindernissen. LiDAR liefert hauptsächlich Entfernungsinformationen auf horizontaler Ebene und ist daher bei der Erkennung vertikal ausgerichteter Objekte oder unregelmäßig geformter Hindernisse weniger effektiv.
Um die Einschränkungen von 2D-LiDAR zu überwinden, kann eine Multisensor-Fusionslösung verwendet werden, die die Stärken von Ultraschallsensoren und Tiefenkameras kombiniert, um eine umfassendere Umgebungswahrnehmung zu erreichen.
Ultraschallsensoren: Kostengünstige Lösung zur Hindernisvermeidung auf kurze Distanz
Ultraschallsensoren berechnen die Entfernung durch Aussenden von Ultraschallwellen und Messen der Echozeit. Zu den Vorteilen zählen:
▪️Niedrige Kosten: Ultraschallsensoren sind viel günstiger als LiDAR und Tiefenkameras und eignen sich daher für groß angelegte Anwendungen.
▪️Erkennung transparenter Objekte: Ultraschallsensoren können transparente Objekte wie Glas und Spiegel erkennen, was für 2D-LiDAR schwierig ist.
▪️Schnelle Reaktion im Nahbereich: Ultraschallsensoren bieten eine hohe Erkennungsgenauigkeit über kurze Distanzen (normalerweise von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern) und sind daher ideal für Roboter, die Hindernissen in der Nähe schnell ausweichen möchten.
Tiefenkameras: Die ideale Wahl für die 3D-Umgebungswahrnehmung
Tiefenkameras nutzen Infrarot- oder strukturierte Lichttechnologie, um dreidimensionale Informationen der Umgebung direkt zu erfassen. Zu ihren Vorteilen gehören:
▪️Erkennung dreidimensionaler Hindernisse: Tiefenkameras können Hindernisse sowohl horizontal als auch vertikal wahrnehmen und eignen sich daher für die Handhabung komplexer dreidimensionaler Umgebungen.
▪️Hochpräzise Hindernisvermeidung: Die von Tiefenkameras bereitgestellten 3D-Daten helfen Robotern, genauere Vermeidungspfade zu planen, insbesondere in engen oder komplexen Räumen.
▪️Vielseitigkeit: Neben der Hindernisvermeidung können Tiefenkameras auch zur Objekterkennung, Gesteninteraktion und anderen erweiterten Funktionen verwendet werden.
Tiefenkameras sind jedoch teuer und empfindlich gegenüber Lichtverhältnissen (beispielsweise kann die Leistung bei starkem Licht oder Dunkelheit nachlassen). Daher werden sie im Allgemeinen eher als Ergänzung denn als Ersatz für 2D-LiDAR eingesetzt.
Vergleich von 2D-LiDAR und 3D-LiDAR: Die kostengünstige Wahl
Obwohl 3D-LiDAR in vielen Roboteranwendungen eine umfassendere dreidimensionale Umgebungswahrnehmung ermöglicht, schrecken die hohen Kosten und die komplexe Konstruktion viele Unternehmen von seinem Einsatz ab. Im Gegensatz dazu bietet 2D-LiDAR mehr Vorteile:
▪️Kosteneffizienz: Im Vergleich zu 3D-LiDAR ist 2D-LiDAR günstiger, was die Gesamtsystemkosten deutlich reduziert. Das vereinfachte Design senkt nicht nur die Produktionskosten, sondern ermöglicht auch groß angelegte Anwendungen.
▪️Vereinfachtes Design: 2D-LiDAR scannt typischerweise nur in der horizontalen Ebene und ermöglicht so die schnelle Erfassung von Umgebungsdaten. Für die meisten industriellen Anwendungen reicht horizontales Scannen aus, um die Anforderungen des Roboters an die Hindernisvermeidung zu erfüllen. Insbesondere in Umgebungen ohne vertikale Hindernisse bietet 2D-LiDAR eine umfassende Umgebungswahrnehmung.
▪️Breite Anwendungen: Dank seines vereinfachten Designs kann 2D-LiDAR in automatisierten Lagern, der robotergestützten Materialhandhabung und beim autonomen Fahren vielseitig eingesetzt werden, was es zu einer kostengünstigen Option macht.
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