El debat de la informàtica AMR: flotes distribuïdes versus centralitzades?


Per Limor Schweitzer, CTO i fundador, MOV.AI

Un canvi en les necessitats d’informàtica de robots mòbils

Durant l’últim any, hem vist l’adopció creixent de la informàtica centralitzada a les flotes de robots mòbils autònoms (AMR). En aquest article, ens preguntem si aquesta tendència és el millor enfocament, especialment en desplegaments avançats amb un gran nombre d’AMR i entorns dinàmics i no estèrils.

Les generacions passades d’AMR, o més exactament, els vehicles guiats automatitzats (AGV), funcionaven en entorns estèrils, amb rutes fixes marcades físicament i tasques senzilles i predefinides. Els requisits informàtics eren gairebé inexistents.

Els AMR actuals són diferents.

En els darrers anys, gràcies a l’augment de la potència de la CPU i al cost reduït dels LIDAR de 360 ​​graus, els algorismes de localització han madurat i són menys sensibles a l’entorn dinàmic.

Això, al seu torn, va provocar el desplegament reeixit de robots mòbils en noves indústries on predomina el caos: caixes aleatòries, escombraries i palets envolten les trajectòries del robot, centenars d’humans i vehicles corren pels mateixos camins que els robots.

Les implementacions avançades d’AMR inclouen un gran nombre de robots autònoms que operen en entorns dinàmics i no estèrils. S’espera que les flotes AMR ofereixin no només eficiència, sinó també flexibilitat i agilitat.

S’espera que siguin capaços de:

  • distribuir eficaçment les tasques intralogístiques, recollint, deixant i desplaçant les seves càrregues útils;
  • trobar camins òptims i canviants dinàmicament evitant la congestió;
  • carregar-se d’una manera oportunista òptima tenint en compte els màxims requisits per a les tasques intralogístiques; i
  • ser rendible en comparació amb la mà d’obra humana.

Tot això requereix una gran capacitat de processament. En els següents apartats, veurem la presa de decisions típica que fan els robots mòbils i les flotes AMR, i els avantatges i els contres de la computació centralitzada i distribuïda a l’hora de gestionar aquests processos.

Requisits informàtics AMR

Hi ha un conjunt específic de decisions que són necessàries per a les flotes AMR, que es poden prendre mitjançant un sistema informàtic centralitzat o distribuït:

Decisions a nivell de robot

Seguretat – La seguretat de la RAM és un règim complex i parcialment regulat, que tracta diferents escenaris que poden suposar un risc per a les persones. Per mitigar aquests riscos, els marcs de seguretat suggereixen cert maquinari que està certificat per complir certs nivells de rendiment (PL-C, PC-D, etc.) que al seu torn garanteixen que els mecanismes de seguretat funcionin correctament fins i tot en condicions adverses com ara incendis i mal funcionament elèctric. .

En aquest sentit, el maquinari de seguretat en un AMR no depèn del programari que gestiona la localització i la IA. Es tracta d’un subsistema independent que proporciona un rendiment altament fiable per garantir que el vehicle no lesiona persones. Un subsistema de seguretat resideix al mateix robot i informa al SO i al programari d’alt nivell; tanmateix, el programari d’alt nivell normalment no pot interferir amb el subsistema de seguretat.

Localització – Les tecnologies SLAM avançades utilitzen l’entrada de sensors i càmeres i el processament d’imatges per identificar la ubicació del robot. Aquesta acció requereix tant una quantitat important d’adquisició de dades com un important recurs de processament i amb una freqüència molt elevada (gairebé contínua).

Nota al marge: hi ha uns quants sistemes GPS d’interior basats en UWB i càmeres, que proporcionen una font externa d’informació de posició als robots. Aquests, però, no han guanyat molta popularitat i l’autolocalització és el mètode d’elecció predominant per als AMR.

Planificació del camí – També aquí, l’objectiu dels AMR avançats no és utilitzar una ruta estàndard i predefinida, sinó calcular la ruta òptima entre la ubicació actual del robot i la seva destinació. La ruta òptima pot canviar al llarg del camí, depenent dels nous obstacles identificats o de la congestió acumulada. A més, el radi de gir previst per prendre una cantonada amb seguretat pot dependre de la mida de la càrrega, i les distàncies de seguretat de persones i equips es poden ampliar per tenir en compte les càrregues pesades.

La planificació de la ruta dinàmica es realitza utilitzant dades generades localment pel robot i fonts de dades externes. La quantitat de dades i la potència de processament necessària no són molt altes, però la freqüència sí.

Prevenció de riscos – Una capa intel·ligent de protecció que augmenta la seguretat a nivell de components. La prevenció de riscos ajusta el comportament del robot, tenint en compte paràmetres ambientals, de càrrega i AMR específics per garantir un funcionament suau i segur i afegir una capa addicional de protecció a les persones, equips i mercaderies. Alguns exemples inclouen l’evitació d’obstacles, el càlcul de la relació de girs i els ajustos de velocitat. Les decisions de prevenció de riscos es prenen a nivell local, en funció de paràmetres específics i en constant canvi.

Decisions a nivell de flota

Assignació i priorització de tasques – Aquesta és una altra decisió diferent i més complexa en les implementacions avançades d’AMR. A diferència dels AGV o les implementacions bàsiques, les tasques no sempre estan predefinides per endavant en el procés d’automatització; també poden ser generats dinàmicament per un ésser humà o d’altres sistemes i dispositius. Per exemple, enviar un robot de neteja per netejar un vessament, anar a l’estació de càrrega o recollir un carro carregat.

L’assignació de tasques i la priorització també poden ser interdependents. Per exemple, la decisió de si un AMR ha d’anar a l’estació de càrrega o realitzar una tasca depèn del nivell exacte de la bateria i de la potència necessària per dur a terme la tasca.

La informació rellevant es deriva de nombroses fonts de dades. Per exemple, les càmeres externes poden indicar el trànsit, la ubicació dels AMR disponibles la proporcionen els AMR i la prioritat de les tasques el Gestor de tasques. La quantitat de dades, la potència de processament necessària i la freqüència no són molt altes.

L’assignació de tasques és un problema d’optimització matemàtic no trivial que optimitza els KPI d’èxit de la flota per a un conjunt determinat de restriccions estàtiques i dinàmiques.

La resolució de conflictes – Aquest és un nou tipus de decisió que resulta d’un comportament del robot dinàmic més que predeterminat. Es poden produir conflictes quan dos robots es creuen o planifiquen utilitzar la mateixa ruta alhora. La quantitat de dades, la potència de processament necessària i la freqüència de resolució de conflictes no són baixes. Tanmateix, la velocitat de decisió és essencial per evitar temps d’espera inactiu.

Diagrama 1: Informàtica centralitzada vs distribuïda. Font de la imatge: MOV.AI

Informàtica centralitzada: Tots els AMR estan connectats a un ordinador central (local o basat en núvol) que realitza totes les anàlisis i decisions i les transmet a robots individuals. En cas de problemes o esdeveniments, el robot aturarà tota activitat fins que es rebin noves instruccions.

Informàtica distribuïda: Cada AMR rep totes les dades disponibles, realitza anàlisis i presa de decisions independents i actualitza la xarxa amb les noves dades.

Pros i contres d’una arquitectura de programari de flota AMR centralitzada

Pros

  • El principal avantatge d’una arquitectura centralitzada (local o basada en núvol) és que hi ha una única entitat que optimitza el comportament de la flota, la qual cosa condueix teòricament a resultats òptims. Tenint en compte els recursos infinits, aquest pot ser el cas. Tanmateix, el consum de recursos és un dels principals inconvenients d’una arquitectura centralitzada.
  • Un altre avantatge és la capacitat d’aprofitar l’ordinador central per sincronitzar-se entre diferents tipus de robots i diferents fonts de dades, un enfocament promogut per VDA505.
  • Opció basada en núvol.

Contres

  • L’inconvenient d’una arquitectura centralitzada són els requisits d’infraestructura, és a dir, la connectivitat i la potència de processament. La majoria de magatzems o centres de fabricació estan totalment coberts per WiFi, i també comença a aparèixer el 5G. La capacitat de WiFi és limitada i també es comparteix amb un nombre creixent de dispositius IoT. La potència de processament es pot basar en el núvol, però s’apliquen els mateixos problemes: cost i capacitat de xarxa.
  • Com que el model centralitzat depèn de la connectivitat de la xarxa, la cobertura és una altra qüestió, amb zones mortes i zones de baixa cobertura. La manca de cobertura en cas que un AMR es trobi amb un vessament farà que quedi “encallat”, requerint la intervenció humana local.

La potència de processament necessària per controlar i operar una flota AMR depèn del nombre d’AMR i del tipus de processos que executen. Com s’ha assenyalat, la planificació avançada de rutes per a entorns dinàmics “bruts” requereix un processament important i una transferència d’informació freqüent.

En un desplegament amb desenes o centenars d’AMR, això equival fàcilment a un centre de dades dedicat amb l’aire condicionat i la inversió en tecnologia d’alta disponibilitat per evitar un únic punt de fallada.

Val la pena assenyalar que fins i tot en un enfocament centralitzat, el mapeig i la localització es realitzen localment a l’AMR a causa dels alts requisits de dades i la sensibilitat temporal. Tot i que hi ha veus que suggereixen que en el futur, quan l’ample de banda i la latència ho permetin, es poden realitzar de manera centralitzada, no ho considerem una opció viable.

Pros i contres de l’arquitectura de programari de flota AMR distribuïda

Pros

  • El principal avantatge d’una flota AMR distribuïda des del punt de vista informàtic és l’optimització dels recursos. Com que les decisions es poden prendre localment, utilitzant el processador instal·lat per donar suport a l’algoritme SLAM, no és necessari un gran centre de dades central. Ja teniu un centre de dades distribuït a les vostres instal·lacions.
  • A més, com que l’AMR pot realitzar anàlisis localment, es pot realitzar amb més freqüència, permetent donar suport a una planificació de rutes més avançada. La capacitat de l’AMR per prendre decisions localment també redueix la seva sensibilitat als problemes de connectivitat, cosa que li permet continuar funcionant sense problemes fins i tot en àrees de cobertura baixa o ara.
  • Les xarxes distribuïdes també són fàcilment escalables i més robustes, ja que no hi ha un únic punt de fallada.

Contres

  • El principal inconvenient d’una arquitectura de computació distribuïda és la seva complexitat. Requereix coneixements de processament paral·lel i bases de dades distribuïdes.
  • Un altre inconvenient és la possibilitat de conflicte i la manca d’una autoritat central. Què passa si dos AMR diferents decideixen realitzar la mateixa tasca?

No tot és blanc i negre

Els inconvenients de les arquitectures centrals i distribuïdes són coneguts pels venedors que prenen mesures per mitigar alguns d’aquests problemes. Algunes implementacions d’informàtica central permeten als robots un cert nivell d’autonomia; per exemple, dins del passadís, l’ordinador realitza la planificació del camí.

A més, algunes tasques com la supervisió, l’anàlisi i les alertes, o la correcció en casos de conflicte, es fan millor de manera centralitzada, fins i tot en una implementació distribuïda.

Els desplegaments avançats d’AMR requereixen informàtica híbrida

Per a la majoria dels aspectes de les implementacions avançades i dinàmiques d’AMR, no hi ha cap altra alternativa a la informàtica distribuïda. La gran quantitat de potència de processament, el nombre de peticions per segon i els requisits de la xarxa impliquen costos prohibitius.

Com a resultat, els desplegaments centralitzats d’AMR limiten la freqüència de recàlcul. Això suposa un handicap artificial a les capacitats d’AMR.

No obstant això, algunes funcionalitats com la supervisió, l’anàlisi, les alertes o la correcció en casos de conflicte es fan millor mitjançant la informàtica centralitzada.

Desplegament ràpid d’AMR avançats en llocs dinàmics i abandonats que tinguin en compte la manera com funcionen els humansrequereix una informàtica híbrida, que combina el millor de la informàtica central i distribuïda.

Sobre l’autor: Limor Schweitzer és el CTO i fundador de MOV.AI i un emprenedor en sèrie en el camp de la robòtica. MOV.AILa plataforma de motor de robòtica basada en ROS ofereix als fabricants d’AMR i als integradors d’automatització tot el necessari per desenvolupar fàcilment robots de grau empresarial. Inclou un IDE basat en ROS, algorismes de navegació autònoms disponibles, eines de desplegament i eines operatives com ara la gestió de flotes, interfícies flexibles amb entorns de magatzem com ERP i WMS, ciberseguretat i API.

Imprimeix, PDF i correu electrònic