Automatizace 3D skenování tovární haly pomocí mobilního robotu

Abstract

V dnešní době jsou továrny nejprve připraveny v simulovaci jako tzv. digitální dvojčata. Výhodou těchto digitálních dvojčat je, že přípravu a testování celé robotizované výrobní linky lze provést ještě před samotnou výstavbou tovární haly. Tento proces předpokládá, že umístění zařízení v továrně přesně odpovídá umístění digitálního dvojčete. Proto je nutné zkontrolovat skutečná umístění a opravit nepřesnosti buď v továrně, nebo v její simulaci. Tato práce navrhuje metodu autonomního 3D skenování v továrních halách s mobilní robotickou platformou. Jako hlavní část práce jsme navrhli nový explorační algoritmus nazvaný Exploration by Static Scans (ESS), který optimalizuje úplnost 3D dat potřebných pro kontrolu instalace v kombinaci s minimalizací času potřebného pro celý skenovací proces. Kvůli technickým omezením nejsou naskenovaná data během skenovacího procesu k dispozici. Algoritmus odhaduje několik skenovacích pozic na základě modelu digitálního dvojčete. Následující skenovací pozice jsou určeny v reálném čase z nekvalitních dat LiDAR. Metodu jsme nejdříve ověřili na modelu tovární haly v robotickém simulátoru. Poté jsme sestavili prototyp skenovací mobilní robotické platformy a ověřili její funkčnost v reálném prostředí tovární haly. Nakonec jsme získané poznatky o využití autonomního robota pro automatizaci 3D skenování v továrních halách shrnuli do studie technické proveditelnosti.

These days, factories are often planned in simulation environments - digital twins first. The advantage of these digital twins is that the preparation and testing the entire robotized production line can be performed before the actual factory hall is built. The process assumes the equipment locations in the factory correspond exactly the digital twin ones. Therefore, it is necessary to check the actual locations and fix inaccuracies either in the factory or in its simulation. This work proposes a method of autonomous 3D scanning in factory halls with a mobile robotic platform. As a main part of the method, we designed a new exploration algorithm, called Exploration by Static Scans (ESS), that optimizes the completeness of 3D data needed for the installation check in combination with minimizing the time needed for the process. Due to technical limitations, the high-resolution point clouds are not available in real-time during the factory mapping process. The algorithm estimates several scanning positions based on the digital twin model. The following scanning positions are determined real-time from low-quality LiDAR data. Then we assembled a hardware prototype of a scanning mobile robotic platform and verified its functionality in a real factory hall environment. Finally, we summarized the obtained knowledge of using an autonomous robot to automate 3D scanning in factory halls in a study of technical feasibility.