تلاش برای توسعه ربات‌هایی که می‌توانند به طور قابل اعتماد در محیط‌های پیچیده حرکت کنند، مدت‌هاست که با یک محدودیت اساسی مواجه شده است: اکثر سیستم‌های بینایی رباتیک اساساً در شرایط آب و هوایی چالش‌برانگیز کور می‌شوند. از وسایل نقلیه خودمختار که در مه غلیظ در حال مبارزه هستند تا روبات‌های نجات که در ساختمان‌های پر از دود با مشکل مواجه می‌شوند، این محدودیت‌ها نشان‌دهنده آسیب‌پذیری حیاتی در کاربردهای روباتیک است که در آن شکست یک گزینه نیست.
الف پیشرفت از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا قول داده است که نحوه درک ربات ها از محیط خود را تغییر دهد. سیستم نوآورانه آنها که PanoRadar نام دارد، از فناوری امواج رادیویی همراه با هوش مصنوعی برای ایجاد نماهای سه بعدی دقیق از محیط اطراف استفاده می کند، حتی در شرایطی که حسگرهای سنتی را بی فایده می کند.
شکستن موانع محیطی
سیستم‌های بینایی روباتیک معاصر عمدتاً بر حسگرهای مبتنی بر نور – دوربین‌ها و فناوری تشخیص و محدوده نور (LiDAR) متکی هستند. در حالی که این ابزارها در شرایط بهینه عالی هستند، اما در محیط های نامطلوب با محدودیت های شدید روبرو هستند. دود، مه و سایر ذرات معلق می توانند امواج نور را پراکنده کنند و این حسگرهای سنتی را در مواقعی که بیشتر مورد نیاز هستند کور کنند.
PanoRadar با استفاده از امواج رادیویی، که طول موج‌های بلندتر آنها می‌تواند به موانع محیطی که نور را مسدود می‌کنند نفوذ کند، با این محدودیت‌ها مقابله می‌کند. مینگمین ژائو، استادیار علوم کامپیوتر و اطلاعات، توضیح می‌دهد: «سوال اولیه ما این بود که آیا می‌توانیم بهترین هر دو روش سنجش را با هم ترکیب کنیم. استحکام سیگنال های رادیویی که در برابر مه و سایر شرایط چالش برانگیز مقاوم است و وضوح بالای حسگرهای بصری.
طراحی نوآورانه سیستم مزیت قابل توجه دیگری را به همراه دارد: مقرون به صرفه بودن. سیستم‌های سنتی LiDAR با وضوح بالا اغلب دارای برچسب‌های قیمتی بسیار بالا هستند که پذیرش گسترده آنها را محدود می‌کند. PanoRadar با استفاده هوشمندانه از آرایه های آنتن دوار و پردازش سیگنال پیشرفته، وضوح تصویر قابل مقایسه ای را با کسری از هزینه به دست می آورد.
این مزیت هزینه، همراه با قابلیت های آن در هر شرایط آب و هوایی، PanoRadar را به عنوان یک تغییر دهنده بازی بالقوه در زمینه درک رباتیک قرار می دهد. این فناوری توانایی خود را در حفظ ردیابی دقیق از طریق دود نشان داده است و حتی می‌تواند فضاها را با دیوارهای شیشه‌ای نقشه‌برداری کند که برای سنسورهای مبتنی بر نور سنتی غیرممکن است.
فناوری پشت پانورادار
در هسته خود، PanoRadar از یک رویکرد فریبنده ساده و در عین حال مبتکرانه برای اسکن محیطی استفاده می کند. این سیستم از یک آرایه عمودی از آنتن های دوار استفاده می کند که به طور مداوم امواج رادیویی را منتشر و دریافت می کند و دید جامعی از محیط اطراف ایجاد می کند. این مکانیسم چرخشی شبکه متراکمی از نقاط اندازه‌گیری مجازی را ایجاد می‌کند و سیستم را قادر می‌سازد تا تصاویر سه بعدی با جزئیات بسیار بالا بسازد.
با این حال، نوآوری واقعی در پردازش پیچیده این سیگنال های رادیویی نهفته است. ژائو خاطرنشان می کند: «نوآوری کلیدی در نحوه پردازش این اندازه گیری های امواج رادیویی است. الگوریتم‌های پردازش سیگنال و یادگیری ماشین ما قادر به استخراج اطلاعات سه بعدی غنی از محیط هستند.
دستیابی به این سطح از دقت با موانع فنی قابل توجهی روبرو شد. نویسنده اصلی Haowen Lai توضیح می دهد: “برای دستیابی به وضوح قابل مقایسه با LiDAR با سیگنال های رادیویی، ما نیاز به ترکیب اندازه گیری ها از موقعیت های مختلف با دقت زیر میلی متری داشتیم.” این چالش به ویژه هنگامی که سیستم در حال حرکت است شدیدتر می شود، زیرا حتی حداقل حرکت می تواند بر کیفیت تصویربرداری تأثیر بگذارد.
این تیم الگوریتم های پیشرفته یادگیری ماشینی را برای تفسیر داده های جمع آوری شده توسعه دادند. به گفته محقق Gaoxiang Luo، آنها از الگوها و هندسه های ثابت موجود در محیط های داخلی استفاده کردند تا به سیستم هوش مصنوعی خود کمک کنند تا سیگنال های رادار را درک کند. در طول توسعه، سیستم از داده های LiDAR به عنوان یک نقطه مرجع برای اعتبارسنجی و بهبود تفاسیر آن استفاده کرد.
کاربردها و تاثیرات در دنیای واقعی
قابلیت‌های PanoRadar فرصت‌های جدیدی را در بخش‌های متعددی که سیستم‌های بینایی سنتی با محدودیت‌هایی مواجه هستند، باز می‌کند. در سناریوهای واکنش اضطراری، این فناوری می‌تواند ربات‌های امدادگر را قادر می‌سازد تا ساختمان‌های پر از دود را به طور مؤثر هدایت کنند و قابلیت‌های ردیابی و نقشه‌برداری دقیق را در جایی که حسگرهای معمولی از کار می‌افتند حفظ کنند.
توانایی این سیستم در تشخیص دقیق افراد از طریق موانع بصری، آن را به ویژه برای عملیات جستجو و نجات در محیط های خطرناک ارزشمند می کند. ییفی لیو، دستیار پژوهش، می‌گوید: «تست‌های میدانی ما در ساختمان‌های مختلف نشان داد که چگونه حسگرهای رادیویی می‌توانند در جایی که حسگرهای سنتی با مشکل مواجه هستند، برتری پیدا کند. ظرفیت این فناوری برای نقشه برداری از فضاها با دیوارهای شیشه ای و حفظ عملکرد در محیط های پر از دود، پتانسیل آن را برای افزایش عملیات ایمنی نشان می دهد.
در بخش خودروهای خودران، قابلیت‌های PanoRadar در تمام شرایط آب و هوایی می‌تواند یکی از چالش‌های پایدار این صنعت را برطرف کند: حفظ عملکرد قابل اعتماد در شرایط آب و هوایی نامطلوب. قابلیت های تصویربرداری با وضوح بالا این سیستم، همراه با توانایی آن برای عملکرد در مه، باران و سایر شرایط چالش برانگیز، می تواند ایمنی و قابلیت اطمینان وسایل نقلیه خودران را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
علاوه بر این، مقرون به صرفه بودن این فناوری در مقایسه با سیستم‌های حسگر پیشرفته سنتی، آن را به گزینه‌ای مناسب برای استقرار گسترده‌تر در برنامه‌های مختلف روباتیک، از اتوماسیون صنعتی گرفته تا سیستم‌های امنیتی تبدیل می‌کند.
پیامدهای آینده برای این زمینه
توسعه PanoRadar چیزی بیش از یک فناوری حسگر جدید را نشان می دهد – این نشان دهنده یک تغییر بالقوه در نحوه درک و تعامل روبات ها با محیط خود است. تیم مهندسی پن در حال حاضر در حال بررسی راه‌هایی برای ادغام PanoRadar با فن‌آوری‌های حسگر موجود مانند دوربین‌ها و LiDAR است و برای ایجاد سیستم‌های ادراک چندوجهی قوی‌تر و قوی‌تر کار می‌کند.
ژائو تأکید می‌کند: «برای کارهای پرمخاطره، داشتن راه‌های متعدد برای حس کردن محیط بسیار مهم است. هر حسگر نقاط قوت و ضعف خود را دارد و با ترکیب هوشمندانه آنها می توانیم ربات هایی بسازیم که برای مقابله با چالش های دنیای واقعی مجهزتر باشند.
این رویکرد چند سنسوری می‌تواند به ویژه در کاربردهای حیاتی که در آن افزونگی و قابلیت اطمینان بسیار مهم است، ارزشمند باشد. این تیم در حال گسترش آزمایش‌های خود برای شامل پلتفرم‌های رباتیک مختلف و وسایل نقلیه خودران است که آینده‌ای را پیشنهاد می‌کند که در آن ربات‌ها می‌توانند به طور یکپارچه بین حالت‌های سنجش مختلف بسته به شرایط محیطی جابجا شوند.
پتانسیل این فناوری فراتر از قابلیت های فعلی آن است. با ادامه پیشرفت تکنیک‌های هوش مصنوعی و پردازش سیگنال، تکرارهای آینده PanoRadar می‌توانند وضوح بالاتر و قابلیت‌های پیچیده‌تری برای نقشه‌برداری محیطی ارائه دهند. این تکامل مستمر می‌تواند به پر کردن شکاف بین ادراک انسان و ماشین کمک کند و ربات‌ها را قادر می‌سازد تا در محیط‌های پیچیده‌تر به طور مؤثرتری عمل کنند.
خط پایین
با ادامه ادغام روباتیک در جنبه های حیاتی جامعه، از پاسخ اضطراری گرفته تا حمل و نقل، نیاز به سیستم های قابل اطمینان درک همه آب و هوا به طور فزاینده ای حیاتی می شود. رویکرد نوآورانه PanoRadar برای ترکیب فناوری امواج رادیویی با هوش مصنوعی نه تنها به محدودیت‌های فعلی در بینایی رباتیک می‌پردازد، بلکه فرصت‌های جدیدی را برای نحوه تعامل ماشین‌ها با محیط خود و درک آنها باز می‌کند. با پتانسیل آن برای کاربردهای گسترده و توسعه مستمر، این پیشرفت می تواند نقطه عطف مهمی در تکامل سیستم های ادراک رباتیک باشد.
