Autonomisten LHD-työkoneiden maanalainen lokalisointi ja kartoitus

Abstract

Kaivosteollisuus on lähtökohtaisesti vaarallinen teollisuuden ala. Eräs kaivostoiminnan turvallisuutta lisäävä ratkaisu on autonomisten työkoneiden käyttäminen riskialttiissa tehtävissä. Työkoneiden automatisoiminen sisältää kuitenkin paljon haasteita ja rajoituksia, jotka tulee ottaa huomioon ennen kuin autonomisia ratkaisuita voidaan käyttää laajamittaisesti. Koneiden tulee kyetä vähintään yhtä tehokkaaseen työskentelyyn kuin ihmisten ohjaamina ja niiden tulee myös huomioida ihmistyöntekijöiden turvallisuus.

Tässä tutkielmassa kaivosolosuhteissa tapahtuvaan autonomiseen navigointiin perehdytään lokaalin navigoinnin ja etenkin lokalisoinnin ja kartoituksen näkökulmasta. Tutkielmassa pohditaan mahdollisia kehityssuuntia lokaalin navigoinnin ongelmien ratkaisemiseksi ja pyritään tuottamaan ajantasaista tietoa eri teknologioiden viimeisimmistä kehitysasteista.

Lokaalin navigoinnin toimintaa voidaan kehittää pääasiallisesti navigointialgoritmien, sekä niille mittaustietoa tuottavien anturien osalta. Pääasiallinen tapa suorittaa lokaalia navigointia on SLAM-algoritmien (Simultaneous Localization And Mapping) avulla. SLAM-algoritmien osalta anturifuusio on tärkeä tekijä tehokkaan navigoinnin toteuttamiseksi, sillä siinä yhdistetään eri etuja ja rajoitteita omaavilta antureilta saatavaa tietoa. Nämä tiedot yhdistämällä voidaan muodostaa selkeä kokonaiskuva koneen lokalisoinnista ja ympäristön kartoituksesta. Anturien osalta korostuu nykyisten ratkaisuiden kehittäminen, sekä uusien teknologioiden tuominen osaksi navigointia. Laajasti käytössä olevia anturifuusiossa käytettäviä antureita ovat LiDAR (Light Detection and Ranging), IMU (Inertial Measurement Unit) ja RGB-D-kamera (Red, Green, Blue plus Depth). Anturien kehityksessä huomattavia teknologioita ovat kvantti- ja nanoteknologiat, sekä kosmiseen säteilyyn perustuva muPS-teknologia (muometric positioning system).

Tutkielman tarkoituksena on kertoa laajasti eri ratkaisuista, joilla maanalaista navigointia voidaan tehostaa. Tämän tiedon pohjalta tutkielmaa lukeva taho voisi harkita jatkotutkimuksien ja kehitystyön suorittamista. Luvussa kaksi kerrotaan taustatietoja ja rajataan tutkielman näkökulmaa. Tämän jälkeen käydään läpi nykyaikaiset algoritmi- ja anturiratkaisut, sekä niiden kohdalla olennaiset kehitysaskeleet. Luvussa neljä tarkastellaan teknologioita, jotka eivät ole vielä laajasti käytettävissä, mutta osoittavat huomattavaa potentiaalia navigoinnin kehitykseen. Luvussa neljä ei käsitellä algoritmeja, vaan tarkastelu rajataan antureihin. Lopuksi tehdään yhteenveto tarkastelluista teknologioista ja pohditaan ratkaisujen kehitysmahdollisuuksia.