ابتكر علماء من جامعة جنوب الأورال الحكومية نظام ملاحة فريدًا للروبوتات، يمكّنها من رؤية الأهداف حتى في ظل الوهج والتشويش.
طوّر الباحثون طريقة مبتكرة لتحديد مواقع الأجسام باستخدام كاميرا بانورامية واحدة وخط ليزر فقط. تُمكّن هذه الطريقة الروبوتات من تحديد مواقع الأهداف بدقة في ظروف التشويش البصري الصعبة. نُشرت ورقة البحث، بعنوان «طريقة تعتمد على الرؤية أحادية الاتجاه متعددة الاتجاهات لاستخلاص شرائط الضوء المهيكلة وتحديد موقع هدف الروبوت في ظل التشويش المعقد»، في مجلة عين شمس الهندسية الدولية المرموقة، وهي مجلة علمية رائدة (الربع الأول) (تصنيفات المجلات: سكوبس (أفضل 5%)، ويب أوف ساينس (أفضل 1%)).
تخيّل روبوتًا يحتاج إلى «تتبع» هدف واحد مُعلّم بالليزر وسط مجموعة من الأجسام الحمراء، حيث يُسبب الضوء الساطع وهجًا على الأسطح. هذه هي المشكلة التي نجح علماء جامعة جنوب الأورال الحكومية في حلها من خلال تطوير طريقة تعتمد على الرؤية أحادية الاتجاه متعددة الاتجاهات وشرائط الضوء المهيكلة.
تقليديًا، تتطلب الروبوتات إما كاميرتين (رؤية مجسمة) أو أجهزة قياس المسافة بالليزر باهظة الثمن (ليدار) لتقدير المسافات. تقدم هذه التقنية الجديدة نهجًا مختلفًا جذريًا: كاميرا بانورامية واحدة بزاوية رؤية 180 درجة، وليزر خطي (650 نانومتر)، وخوارزمية ذكية تحدد خط الليزر على الجسم في الوقت الفعلي وتحول إحداثياته إلى موقع ثلاثي الأبعاد للهدف.
«يوضح إيفان خولوديلين، الأستاذ المشارك في قسم «المحركات الكهربائية والميكاترونيات والكهروميكانيكا» بكلية «الميكاترونيات والروبوتات»: أصبح النظام أكثر إحكامًا وموثوقية. عدد أقل من المستشعرات يعني عددًا أقل من مشاكل المعايرة والمزامنة المحتملة. في الوقت نفسه، تسمح كاميرا بانورامية واحدة للروبوت برؤية كل ما يحيط به تقريبًا، بما في ذلك ما وراء الزوايا».
يكمن الإنجاز الرئيسي لهذا التطوير في قدرة الخوارزمية على العمل بكفاءة عالية في ظروف تفشل فيها الطرق التقليدية. تشمل هذه الظروف الأسطح الداكنة واللامعة، والأجسام الحمراء (التي قد يتداخل خط الليزر فيها مع الخلفية)، والانعكاسات اللامعة، وحتى التداخل الجزئي لشريط الليزر.
تعمل الخوارزمية كـ«مُرمِّم» لأثر الليزر: حيث تقوم معالجة متعددة العتبات متخصصة في فضاء اللون بتصفية التداخل، وتُصلح العمليات المورفولوجية انقطاعات الخطوط، بينما تعمل تقنيات التجميع وبناء الشجرة الممتدة الدنيا على استعادة استمرارية الشريط حتى مع التداخلات الجزئية.
تم التحقق تجريبياً من فعالية هذه الطريقة على نظام روبوتي حقيقي مزود بذراع SCARA. وكانت النتائج مبهرة:
-
بلغ متوسط خطأ قياس الإحداثيات في الظروف الصاخبة 5.57 مم فقط (مقابل 18.08 مم للطرق الأساسية).
-
وانخفض خطأ إعادة بناء العمق بنسبة 69%.
-
وفي تجارب التقاط الأجسام الحقيقية، لم يتجاوز متوسط الخطأ 6.435 مم.
يبلغ زمن تشغيل وحدة تحديد الموقع بالليزر حوالي 0.5 ثانية، وهو زمن مقبول تمامًا للتطبيقات الصناعية.
تُعدّ التقنية التي اقترحها علماء جامعة جنوب الاورال الحكومية مثاليةً لما يلي:
-
فرز ومعالجة الأجزاء آليًا؛
-
مراقبة مواقع الأجسام على سير ناقل؛
-
العمل في بيئات بصرية قاسية (وهج، انعكاسات).
تُعتبر هذه التقنية الجديدة بديلًا للاستيراد، إذ أن تكلفتها أقل بكثير من تكلفة أجهزة الليدار الصناعية. إذ تبلغ تكلفة كاميرا بانورامية وليزر خطي معًا حوالي 10,000 روبل، مقارنةً بمئات الآلاف من الروبلات لجهاز ليدار أجنبي عالي الجودة.
يتمثل الجانب «المثير للجدل» الرئيسي في هذه التقنية حاليًا في التعرف على الأجسام بواسطة الشبكة العصبية، والذي يستغرق حوالي 2.93 ثانية (86.2% من إجمالي الوقت). ويجري التخطيط لتحسين هذه المرحلة باستخدام معالجات رسومات أكثر قوة وهياكل شبكات عصبية مدمجة، مما سيسمح بتشغيلها في الوقت الفعلي تقريبًا.
يتماشى تطوير فريق البحث، بقيادة الدكتور ماكسيم غريغورييف، أستاذ الهندسة، والأستاذ المشارك في قسم «المحركات الكهربائية والميكاترونيات والكهروميكانيكا»، الدكتور إيفان خولوديلين، بسلاسة مع التوجه العالمي نحو الاستغناء عن أجهزة الاستشعار باهظة الثمن لصالح «الرؤية الذكية» وأساليب الإضاءة النشطة، مما يمهد الطريق لإنشاء أنظمة روبوتية صناعية أكثر اقتصادية وصغرًا.