Lokaliseren zonder gps? Dit is het geheim!

Proeftuin 'Smart Connectivity'

In fabrieken met cobots, AGV’s en andere mobiele units zijn locatie- en productiedata een must. Niet alleen om efficiënt te produceren, ook voor de veiligheid van werknemers. Dat klinkt logisch, maar blijkt allesbehalve evident. In een bedrijfshal heb je geen gps en zijn er obstakels, zoals metalen rekken en medewerkers, die het gebruik van mobiele units bemoeilijken. De industrie 4.0-proeftuin ‘Smart Connectivity’, die de Vlaamse overheid via VLAIO organiseert, laat zien hoe je in die uitdagende omstandigheden tóch betrouwbare data- en lokalisatieoplossingen realiseert.

Relevant voor industrie 4.0

In de proeftuin ‘Smart Connectivity’ slaan IDLab (imec), Flanders Make en dronecluster EUKA de handen in elkaar. “Voor industrie 4.0 is het capteren en slim gebruiken van data cruciaal”, zegt professor Eli De Poorter (UGent/imec), projectleider van de proeftuin. “Om operationele aspecten te verbeteren met het oog op kostenbesparingen, efficiëntie en kwaliteit, is continue connectiviteit nodig én realtime inzicht in de positie en status van mobiele units. Ook in uitdagende omstandigheden.”

Autonome drone

Die doelstellingen werden vertaald in een demonstrator voor automatische voorraadcontrole in een magazijn met een drone die autonoom rondvliegt en QR-codes van producten uitleest via een camera.

Om de drone te lokaliseren met een nauwkeurigheid van 10 à 15 cm rustten de specialisten van IDLab hem uit met een zelf ontwikkelde tag die tal van draadloze signalen kan verzenden en ontvangen. “Een uitdagende case”, stelt professor De Poorter. “Drones zijn snel, wendbaar en zeer compact. Wat werkt voor drones, werkt ook voor minder complexe toepassingen.”

De eerste versie van de demo werd in december voorgesteld tijdens een studiedag van Wireless Community in Gent.

Ultra-breedband

Omdat positiebepaling met gps-satellieten niet mogelijk is in een fabriekshal, worden er anchor nodes geplaatst: twee op de vloer en twee aan het plafond. Het lokaliseren van de drone gebeurt door de afstand ten opzichte van deze nodes te berekenen.

Voor de communicatie tussen de drone en de vaste nodes, gebruiken de onderzoekers ultra-breedband (UWB). Dit signaal is erg geschikt om tot op een paar centimeter nauwkeurig de afstand te bepalen tussen zender en ontvanger.

Vluchtroute

De tag op de drone zendt via een UWB-antenne signalen naar de ankerpunten. De gegevens over de afstand tot de vaste nodes gaan vervolgens draadloos naar een server waar de positie van de drone berekend wordt. Deze informatie gaat terug naar de drone, die zelfstandig zijn vluchtroute bepaalt. Voor deze zogenaamde path planning doet de demo een beroep op algoritmen van Flanders Make.

75 updates per seconde

De specialisten van IDLab ontwikkelden een platform waarmee ze efficiënte MAC-protocollen kunnen ontwikkelen voor de communicatie tussen de tag op de drone en de vaste nodes. Zo haalt de demo een update-ratio van 75Hz. Dat wil zeggen dat de positie van de drone 75 keer per seconde bepaald wordt. Op termijn willen de onderzoekers naar 200 Hz voor nog veeleisendere toepassingen.

Sensorfusie

Om de drone stabiel te houden en zo nauwkeurig mogelijk te lokaliseren, wordt er naast UWB ook een optical flow sensor gebruikt, een naar beneden gerichte camera die continu foto’s maakt om de afgelegde afstand en de hoek van de drone te registreren.

Optical flow is voor relatieve lokalisering nauwkeuriger dan UWB, maar onvoldoende betrouwbaar voor absolute positionering over langere afstanden, omdat elk beeld vergeleken wordt met het vorige en er daardoor grote afwijkingen kunnen ontstaan. In combinatie met de UWB-metingen is het resultaat wél zeer nauwkeurig. Dit principe heet sensorfusie, het samenvoegen van data van verschillende sensoren.

Eenvoudig én energiezuinig

De specialisten van IDLab hadden verder nog twee grote uitdagingen: ten eerste wilden ze ervoor zorgen dat de infrastructuur voor de lokalisatie van de drone eenvoudig te installeren is door bedrijven. Ten tweede wilden ze het hoge energieverbruik van de UWB-radio’s doen dalen. De eenvoudige installatie is mogelijk dankzij een zeer energiezuinig draadloos sub-1 GHz-controlenetwerk, waardoor er geen bekabeling nodig is. Het energieverbruik werd geoptimaliseerd met een nieuw MAC-protocol, waarbij de UWB-radio’s op de vaste nodes alleen werken als ze via het Sub-1 GHz-netwerk toestemming krijgen. Zo is er altijd slechts één van de nodes actief en verbruikt de toepassing tot tien keer minder energie.

Kant-en-klaar

Omdat alle hardware gevoed wordt met batterijen is de installatiekost erg beperkt. “Maar we onderzoeken manieren om het systeem nog eenvoudiger en goedkoper te maken”, blikt Eli De Poorter vooruit. “We werken onder andere aan technieken om automatisch te kalibreren en automatisch de positie van de ankernodes te bepalen. Dan kunnen we bedrijven een plug-and-play-oplossing voorstellen.”

Het bedrijf Octinion in Leuven, gespecialiseerd in landbouwrobots voor gebruik in serres, toont mooi aan hoe lokalisatietechnieken innovatie ondersteunen.

Ook voor jouw bedrijf?

De inzichten uit de Smart Connectivity-proeftuin zijn interessant voor alle bedrijven die gebruikmaken van AGV’s of andere mobiele units. “Bedrijven mogen ons contacteren voor technologische demonstraties, haalbaarheidsstudies of coöperatieve onderzoeksprojecten”, zegt Eli De Poorter. “Met name de ICON-subsidies van VLAIO bieden interessante mogelijkheden.”

Tip: er is een nieuwe call voor ICON-projecten tegen 14 maart 2019. Mail naar eli.depoorter@ugent.be om ideeën te bespreken.

Economisch potentieel

Ook voor de dronesector zelf is deze proeftuin een opsteker. “Van alle lokalisatieprocessen biedt permanente inventarisatie, zoals hier gedemonstreerd wordt, het grootste economisch potentieel”, weet Kevin Logist, innovatiemanager bij dronecluster EUKA. “Stockopnames kosten veel tijd en mankracht. Het zou een enorme vooruitgang zijn als we dat automatiseren.”

Logist denkt aan toepassingen in de transport en logistieke sector, maar ziet ook mogelijkheden in de bouw. “Grote bouwbedrijven werken vaak met centrale magazijnen waar ze materieel voor hun verschillende werven stockeren. Dat is een ideale case voor een autonoom functionerende drone.”

Tip: in de nieuwe reeks industriële proeftuinen die vanaf april 2019 van start gaan, zitten nog meer interessante dronedemonstraties. Ontdek het aanbod!

Koppositie voor Vlaanderen

Extra goed nieuws is bovendien dat Vlaanderen nog een koppositie kan innemen op dit vlak. “Net vanwege de grote complexiteit van lokalisatie in bedrijfshallen en het veilig navigeren tussen hindernissen, zijn er internationaal nog geen sluitende oplossingen voor deze problematiek. We kunnen nog bij de eersten zijn”, besluit Kevin Logist.

Heb jij vragen over het inzetten van drones in jouw bedrijf? Contacteer EUKA.