Mobiilirobottien navigointiteknologiat ja esteiden välttäminen

Abstract

Robotiikan merkitys teollisuudessa ja muilla aloilla on jo nyt suuri ja tulee kasvamaan myös tulevaisuudessa. Mobiilirobotiikka on yksi tärkeimpiä ja nopeimmin kehittyviä robotiikan osa-alueita. Mobiilirobotteja hyödynnetään laajasti eri aloilla, esimerkiksi teollisuudessa, varastoissa ja sairaaloissa. Navigointi, ympäristön havainnoiminen ja esteiden välttäminen ovat mobiilirobotin toiminnan kannalta keskeisiä osa-alueita.

Mobiilirobottien ja antureiden nopean kehityksen myötä erilaisia navigointiteknologioita, ympäristön havainnoimiseen käytettäviä laitteita ja esteiden välttämiseen käytettäviä menetelmiä on paljon. Tämän työn tavoitteena on etsiä, kerätä ja analysoida kyseisiä teknologioita, laitteita ja menetelmiä kirjallisuuden pohjalta. Työssä tutkitaan, miten tai mitä teknologioita hyödyntäen mobiilirobotit navigoivat, millaisilla teknisillä laitteilla mobiilirobotit havainnoivat ympäristöään ja miten mobiilirobotit pyrkivät välttämään esteitä. Tutkimusmenetelmänä käytetään kirjallisuusselvitystä materiaalin keräämiseksi ja analysoimiseksi.

Kirjallisuuden pohjalta löydetään useita navigointiteknologioita, jotka jaotellaan globaaleihin ja lokaaleihin menetelmiin. Merkittäviä löydettyjä globaaleja navigointiteknologioita ovat APF (Arti-ficial Potential Field) -, CD (Cell Decomposition) - ja RA (Roadmap Approach) -menetelmät sekä A*-algoritmi. Näistä tarkemmin esitellään APF- ja CD-menetelmät. Tärkeitä löydettyjä lokaaleja navigointiteknologioita ovat geneettinen algoritmi (engl. Genetic Algorithm), neuroverkot, ACO (Ant Colony Optimization) -, FA (Firefly Algorithm) - ja PSO (Particle Swarm Optimization) -menetelmät sekä sumea logiikka. Näistä tarkemmin esitellään geneettinen algoritmi ja neuroverkot. Ympäristön havainnointiin käytettävistä laitteista esitellään ultraääni-, infrapuna- ja laser-anturit sekä kamerat. Esteiden välttämiseen käytettävistä teknologioista perehdytään wall-following-, VFH (Vector Field Histogram) - ja DW (Dynamic Window) -menetelmiin sekä virheal-goritmeihin (engl. Bug Algorithms).

Työssä keskitytään ensisijaisesti autonomisiin, maalla renkailla liikkuviin mobiilirobotteihin, joten esimerkiksi lentävät, veden alla liikkuvat ja kauko-ohjattavat mobiilirobotit rajataan käsittelyn ulkopuolelle. Lisäksi navigointiteknologioita on niin paljon, ettei tämän työn laajuus riitä niiden kaikkien yksityiskohtaiseen käsittelyyn. Tämän vuoksi työssä esitellään tarkemmin vain osa na-vigointiteknologioista. Johtopäätöksinä päädytään esimerkiksi siihen, että navigointiteknologioita, antureita ja esteiden välttämiseen käytettäviä menetelmiä on tärkeää kehittää edelleen, sillä nämä mahdollistavat mobiilirobottien entistä autonomisemman toiminnan ja lisäävät siten mobii-lirobottien sovelluskohteita. Mobiilirobottien on myös tärkeää kyetä toimimaan samassa tilassa ihmisten ja liikkuvien esteiden kanssa, ja tässä kyseisillä teknologioilla ja laitteilla on suuri merkitys. Lisäksi mainitaan, että teknologioiden jaotteluun ja termien käyttöön olisi tärkeää löytää yhteinen ja selkeä tapa, sillä tällä hetkellä näissä on paljon vaihtelua eri lähteiden välillä. Tässä näkyy mobiilirobotiikan nopea kehitys, sillä termit ja teknologioihin liittyvä sanasto eivät ole täysin vakiintuneet.