Jste zde

Jen obraz nestačí aneb i snímání zvuku pro autonomní stroje

Antonín Vojáček, 28. Září 2021 - 19:55

Autonomní robotické systémy, vozidla a i různé automobily - ty všechny v budoucnu asi budou využívat podobný koncept snímání okolí. Mimo optického snímání se již zavádí i snímání zvuku, které zejména z pohledu bezpečnosti může hrát významnou roli.

Nejen strojové vidění, ale i slyšení?

Pro vývoj a použití autonomních strojů, zejména těch mechanicky se pohybujících, je zapotřebí do celkového systému sledování okolí zahrnout velmi odlišné senzory, aby stroj byl schopen porozumět aktuálnímu stavu svého okolí a adekvátně k tomu vždy přizpůsobit svoje chování. A to nejen z důvodu všeobecně stále více zmiňované bezpečnosti, ale i z důvodu zvýšení efektivnosti svých provozních funkcí.

To neplatí jen pro mediálně zajímavé téma autonomních osobních a nákladních vozidel, ale dá se samozřejmě rozšířit i na méně diskutovaná, ale stále více využívaná robotická přepravní vozidla v rámci firemních hal a areálů a dokonce podobné problémy musí řešit i omezeně se pohybující různí montážní a kolaborativní roboti, ať již na výrobních linkách nebo v automatizovaných skladech.

K tomu slouží moderní senzorické systémy s vyhodnocovacími elektronickými jednotkami s různými prvky standardní i umělé inteligence pro standardní logické vyhodnocení i adaptivní vyhodnocování na základě předchozích zkušeností z naučených či reálně se vyskytnutých situací. Každé pohybující se vozidlo či mechanismus bez přímého dohledu řidiče či operátora tak musí dokázat jednoznačně porozumět každé provozně možné dopravní či pracovní situaci a to i za případně možných nepříznivých provozních, světelných a povětrnostních podmínek. Různé snímací systémy pak mají své různé zvláštní výhody, proto je nutné je většině případů i vzájemně kombinovat .

Nicméně jen detekce a sledování "viditelného okolí" nestačí. Proto nově by do výbavy měly být zahrnuty i systémy snímání zvuku vně okolí vozidla. Jednak z důvodu možnosti i hlasového ovládání (hlasových ovládacích povelů), ale zejména k rychlejšímu zaznamenání nebezpečné situace. Lidem v takových situacích zvuk výrazně urychluje reakce na nenadálé nebezpečné situace, když například slyší zahoukání sirény, zakřičení bolestí zasaženého člověka, či rychlé intuitivní hlasové povely typu "Stop", "Zastav", "Hoří", "Pomoc" apod. Minimálně tyto stroji vnímané zvuky mohou velmi přispět k rychlejšímu zastavení nebezpečného pohybu stroje a eliminovat tak možné následky nebo jejich větší intenzitu daleko dříve než při čekání stisku bezpečnostního tlačítka nebo jiného mechanického či optického zaznamenání nebezpečí.

Snímací kamery

Kamery jsou pro detekci objektů nepostradatelné. Dodávají vozidlům potřebné komplexní informace k detekci předmětů, jako jsou stojící nebo pohybující se lidé a i různě dočasně se vyskytující stacionární objekty v pohybové trase, ale i podél ní. Největší výhodou kamery je, že dokáže přesně měřit úhly. To umožňuje včas rozpoznat, zda například jiné blížící vozidlo zatáčí. Pokud pohyb a doprava v hustě zalidněném prostředí vyžaduje pro záznam chodců a okolního provozu široký úhel pohledu, při rychlém pohybu v předem vymezených koridorech, nebo v případě aut na dálnicích, je nutný dlouhý dosah až 300 metrů a naopak úzký úhel pohledu. Proto je nutné do vozidla integrovat sortiment různých kamerových systémů. Jiný typ kamery je potřeba již teď například pro funkce adaptivního tempomatu, pro automatizovaný systém nouzového brzdění nebo pro funkci udržování jízdy v pruzích "Lane Keeping Assist".

V případě přepravních vozidel pak kamery nejen monitorují vnější okolí vozidla, ale také cestující uvnitř vozidla. Například dokážou rozeznat nejen to, jak je vozidlo obsazeno, naloženo nebo jaká místa k sezení si cestující zvolili. Tato znalost představuje velké bezpečnostní plus, protože v případě nehody může u cestujících funkce bezpečnostního pásu a airbagu přizpůsobit obsazenosti nebo v případě nákladu aktivně elektromechanicky zasáhnout do přepravní plochy.

Příklad kamerového modulu společnosti ZF Engineering zahrnující tři různé kamery s různými úhly záběru.

Snímací radary

Radarové senzory používají systém echa v případě špatné viditelnosti. Na rozdíl od kamer, které pasivně zaznamenávají obrazové informace, jsou radarové systémy aktivní technologií. Tyto senzory vyzařují elektromagnetické vlny a přijímají „echo“, které se odráží zpět od okolních objektů.

Radarové senzory proto mohou s vysokou přesností určit zejména vzájemnou vzdálenost a relativní rychlost snímacího a snímaných objektů. Díky tomu jsou ideální pro udržování vzdálenosti, vydávání varování před kolizí nebo pro systémy nouzového brzdění / zastavení. Další rozhodující výhodou radarových senzorů ve srovnání s optickými systémy je, že fungují bez ohledu na počasí, okolní intenzitu světla nebo zhoršenou viditelnost (například znečištěním prostředí či senzoru), protože využívají rádiové vlny. Díky tomu tak jsou důležitou součástí sady senzorů. Dnes již různí výrobci také nabízí široký sortiment radarových senzorů s různými rozsahy a úhly skenování prostoru (šířkou paprsku).

Snímací LiDARy

LiDAR slouží pro "laserově ostrý výhled do všech stran". Senzory typu LiDAR také používají princip ozvěny (echa), ale místo rádiových vln vyžívají laserové impulsy. Proto zaznamenávají vzdálenosti a relativní rychlosti stejně dobře jako radar, ale rozpoznávají objekty a úhly s mnohem vyšší přesností. To je také důvod, proč velmi dobře slouží k identifikaci objektů ve tmě.

Na rozdíl od optických kamer a radarových senzorů zde není úhel skenování až tak kritický, protože většina dnešních LiDAR senzorů již je schopna zaznamenávat minimálně 270°, ale často již i 360° prostředí vozidla. V průmyslu je tato technologie známá hlavně v podobě tzv. 2D bezpečnostních skenerů, které pracují jen plošně obvykle buď vodorovně nebo kolmo na zem či podlahu (podložku). Nicméně 3D LiDAR senzory s vysokým rozlišením se již v průmyslu zabydlují v oblasti automatizovaných AGV a AMR vozidel. Mohou totiž spolehlivě trojrozměrně detekovat a vzájemně rozlišovat i malé předměty a chodce. Proto jsou velmi důležité již pro současné a o to více i budoucí zajištění bezpečnosti pohybujících se strojů a vozidel.

Porovnání použití 3D LiDARového snímacího zařízení (obr. vlevo - 3D systém Sick) a 2D snímání (obr. vpravo - 2D bezpečnostní skener Banner).

Snímání zvuku pro "neviditelné situace"

Nicméně postupně si vývojáři "uvědomili", že lidský řidič nevyužívá jen vizuální stránku okolí, ale stejně důležitý může být i zvukový vjem. Na něm je například postaveno sirénové varování záchranných složek, díky nimž řidič může na ně reagovat daleko dříve, než je vůbec může vidět. Navíc i základní lidské projevy v nebezpečí jsou hlasové. Když někdo zakřičí "Pozor" nebo "Pomoct", tak obecně ostatní lidé zareagují daleko dříve, než kdyby se orientovali jen čistě podle vizuální stránky.

Proto například společnost ZF vyvinula pro vozidla technologii "Sound.AI", která umožňuje vozidlům detekovat akustické signály v celém jejich okolí. Systém rozpoznává podle akustických signálů mimo jiné blížící se vozidla záchranné služby, jako jsou policejní auta, sanitky a hasičská auta. Pak následně také v případě autonomního řízení může automaticky například přejet na okraj vozovky. „Sound.AI“ nicméně i u neautonomních vozidel může fungovat jako pomoc řidiče, kdy jej může informovat, ze kterého směru vozidlo záchranné služby přijíždí a navrhnout, co má řidič dělat. Pokud jede zezadu, doporučuje řidiči zahnout doprava nebo třeba na dálnicích vytvořit nouzový pruh.

Závěr

Ať již jde o semi-autonomní či plně autonomní vozidla, přepravní roboty a samostatně se volně pohybující montážní roboty ve volném a tedy časově proměnlivém prostoru, vždy je nutné dostatečně spolehlivě a také dostatečně redundantně řešit jejich snímací schopnosti okolí. Jak pro jejich provozní funkčnost, tak zejména provozní bezpečnost. V tomto směru optické, radarové, ultrazvukové a zvukové snímací systémy a zejména jejich vhodné kombinace umožňují detekovat nebezpečné situace a střety s objekty dříve, než k nim mechanicky dojde (například od snímačů mechanického momentu, nárazu, tlaku, zrychlení apod.). Proto jsou s rostoucí automatizací, přesněji řečeno s rostoucí úrovní autonomního chování strojů, tak důležité.