Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Autonomika a její význam pro odvětví techniky snímačů

Výsledky jednoho z nejzajímavějších projektů z oboru automatizace a robotiky byly představeny poslední den veletrhu Sensor+Test 2012 v Norimberku, za účasti čelných představitelů ministerstva, vrcholných funkcionářů odborného svazu pro senzoriku AMA (AMA Fachverband für Sensorik e. V.) a vývojářů z firem zúčastněných na některých dílčích projektech. Představena byla bílá kniha [1] doprovodného programu celoněmeckého výzkumného projektu Autonomik, vyhlášeného spolkovým ministerstvem pro hospodářství a techniku BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie).

Co je autonomika

Německý výzkumný projekt Autonomik s podtitulem Autonomní a na simulaci založené systémy pro středně velké podniky se zabývá vývojem nové generace inteligentních objektů, nástrojů a systémů, které jsou samostatně schopny se zapojit do sítě, rozpoznat nové situace, měnící se podmínky a pracovat v součinnosti s uživateli a s dalšími objekty. Cílem je vyvinout a vyrábět inteligentní komponenty pro autonomní systémy s novým síťovým napojením (internet, intranet aj.), které dovedou efektivně rozpoznat okolí, a jsou tak vhodné pro inteligentní výrobní provozy a továrny. Vzdáleným cílem je digitalizace německého průmyslu, síťové propojení společnosti a hospodářství a spojení robotiky a elektromobility.

Z technického hlediska není autonomika novou disciplínou, spíše jde o inteligentní spojení již existujících a nově vyvinutých produktů, přičemž cílem je dosáhnout nových funkcí a vyšší kvality pro nejrůznějších oblasti použití. Autonomní objekty vybavené inteligentními schopnostmi budou moci provádět komplexní analýzu a rozhodování, vytvářet pracovní podmínky nebo delegovat úkoly (nebo jejich částí) na kompetentní objekty. Jde o stavebnicový princip: technický systém má po rozšíření vhodnými objekty získat nové schopnosti, aniž by bylo nutné nákladně přizpůsobovat konstrukci.

Příkladem autonomních systémů jsou (alespoň částečně) kooperující robotické systémy pro autonomní výrobu, asistující roboty v řemeslné výrobě, servisní roboty pro domácnost, transportní systémy bez řidičů ve společném pracovním prostoru s vozidly ovládanými řidiči a chodci, chytré automobily, které autonomně jezdí na dálnici, nebo autonomní logistické systémy, jejichž náklady samy určují cestu k příjemci.

Autonomní systémy budou mít velký význam na celosvětových trzích a patří globálně mezi deset nejdůležitějších oblastí pro výhodné investice. Dalšími jsou nanomateriály, pružná elektronika, moderní baterie a akumulace energie, chytré materiály, zelená informační technika, sluneční systémy, trojrozměrná integrace, bílá biotechnika a lasery (podle Frost a Sullivan [2]).

Nejdůležitějšími oblastmi pro použití auto­nomiky jsou logistika a transportní systémy, jakož i servisní robotika. Na čtrnácti dílčích programech se podílí více než sto podniků a výzkumných ústavů. Celkové náklady projektu činí 110 milionů eur (BMWi uhradí polovinu nákladů).

První výsledky dílčích projektů

První výsledky projektu Autonomik byly již vystavovány na německých veletrzích. V březnu 2012 na veletrhu CeBIT to byl projekt RAN (RFID-based Automotive Network), který má využitím techniky RFID zajistit účinnou výměnu informací v celém automobilovém průmyslu a zavést standardizované metody ve všech zúčastněných podnicích. Představen byl interaktivní model distribuce hotových automobilů od jejich vyložení z lodí a následujícího mytí, přes kontrolu kvality až po nakládání na nákladní vozy, které automobily rozvážejí k obchodníkům.

Na Hannover Messe v dubnu 2012 byly mimo projekt RAN prezentovány výsledky dalších dílčích projektů autonomiky: LUPO, Marion a RoboGasInspector. V projektu LUPO (Leistungsfähigkeitsbeurteilung un­abhängiger Produktionsobjekte) jsou vyvíjeny postupy pro zkoumání vlivů použití autonomní techniky na hospodárnost ještě před nutnými změnami ve výrobě. Hybridní simulátor přezkouší různé možnosti řešení ve spojení s fyzickými demonstrátory, takže je možné budoucí techniku nebo alternativní strategie rychle otestovat dříve, než jsou zavedeny do výroby.

V projektu Marion (mobile autonome, kooperative Roboter in komplexen Wertschöpfungsketten) jsou vyvíjeny autonomní mobilní stroje schopné samostatně reagovat na změny v jejich okolí. Jejich základními prvky jsou mimo jiné senzory pro rozpoznávání okolí a nadřazený plánovací systém. Na základě informací dodávaných senzory je vyhodnocena současná situace. Výsledek plánovacího systému je bezdrátově přenášen na jednotlivé stroje, které pak mohou samostatně vykonávat potřebné úkony (např. při sklizni v zemědělství). Na Hannover Messe bylo jako příklad předvedeno autonomní manipulační vozítko („ještěrka“), které na základě vestavěné inteligence samostatně reaguje na změny v okolí.

Cílem projektu RoboGasInspector (obr. 1) je vývoj inteligentních a kooperujících inspekčních robotů vybavených dálkovým měřením úniků plynu, které mohou včas zjistit poruchy a úniky na plynovodu. V tomto systému jsou kontroly zařízení, detekce a zjištění vadných míst zajištěny převážně autonomními mobilními roboty, které současně přebírají vyhodnocení naměřených hodnot a dokumentaci inspekce.

Na veletrhu Automatica v květnu 2012 byly mimo projekt LUPO představeny i výsledky dalšího dílčího projektu – viEMA, zabývajícího se robotickými systémy pro montážní a řemeslné práce ve spolupráci s živými pracovníky. Jde jak o autonomní zvládnutí konkrétních úkolů na pracovišti, tak i o síťové a internetové připojení pro výměnu výrobních a modelových dat, dálkovou diagnostiku a údržbu. Vystavován byl první prototyp montážního asistentu (obr. 2).

Význam senzoriky pro autonomiku

Senzorika má pro autonomiku klíčový význam – dodává údaje k realizaci konceptů k rozpoznávání okolí autonomními objekty. Německá senzorika a měřicí technika má roční obrat přibližně 35 miliard eur, což je 30 % světového trhu. Ačkoliv tento obor v posledních 30 letech roste v průměru o 8 % ročně, podíly států západní Evropy na tomto trhu klesají (podle studie Sensor Markets 2016 firmy Intechno Consulting z března 2012). Obrat na trhu senzorů se sice do roku 2016 (oproti 2006) téměř zdvojnásobí, avšak podíl evropských firem klesne z 34 na 29 %. Zabránit tomuto poklesu je hlavním účelem projektu autonomika.

 Z osmi set německých výrobců senzorů je 85 % malých a středních firem. Pro udržení dosavadní vysoké úrovně německého odvětví senzorů podporuje německý projekt Auto­nomik vybranými projekty malé a středně velké podniky a usiluje o intenzivnější diskusi mezi výrobci senzorů, integrátory systémů a uživateli.

Význam autonomiky pro senzoriku

Autonomika dává nové impulzy pro další růst senzoriky a současně otevírá nové možnosti k udržení a zlepšení její pozice na trhu. Vývoj autonomních systémů a chytrých objektů je v podstatě určen výkonnými snímacími funkcemi. Výrobci senzorů musí proto získat nové znalosti i v důležitých oblastech použití a v informatice. Zejména proto je důležitý dialog mezi návrháři a výrobci senzorů, integrátory systémů a uživateli autonomních systémů.

Budoucí senzory

Ačkoliv není pojem multimodální senzorika nikde definován, rozumí se tím zřejmě oblast budoucích senzorů použitelných v autonomice. Dnešní senzory dodávají velké množství zpravidla nevyhodnocených dat ze svého okolí (např. trojrozměrné obrazy), kterými je pak zaplavena centrální vyhodnocovací jednotka. Přitom je v některých případech zapotřebí jen jediná informace. Pro komplexní rozpoznání okolí je nutná nová kvalita kooperace mezi senzorem a zpracováním signálu.

Pro autonomní systémy, které se rozhodují na základě rozpoznávání okolí, jsou nutné inteligentní senzory dodávající alespoň zčásti vyhodnocená data. Nové přístroje koncepce Senzor plus disponují jedním nebo kombinací několika měřicích principů a vedle toho obsahují výkonný systém pro vyhodnocení naměřených dat (rozšířený vestavěný systém). Pro budoucí potřeby autonomiky je nutné vyvinout senzory s vysoce výkonnými vestavěnými systémy, které jsou schopny spolehlivě zpracovávat samoučící se a rozpoznávací algoritmy.

Autonomika je nová a důležitá oblast použití senzoriky a měřicí techniky, která otevírá nové směry vývoje, jako jsou miniaturizace, zvýšená spolehlivosti, rostoucí vlastní inteligence a lepší možnosti použití v nejrůznějších oblastech. Pro mobilní použití jsou vyvíjeny integrované multisenzory se stále komplikovanějším a náročnějším integrovaným zpracováním signálu.

Spolehlivost senzorů

Bezpečnost autonomních systémů, které se pohybují v prostoru spolu s nekooperujícími objekty nebo živými bytostmi, závisí na spolehlivosti dat dodávaných senzory. Rovněž programy zpracovávající data ze senzorů musí vyhovovat zpřísněným bezpečnostním požadavkům. Dnešní autonomní systémy stále ještě nesplňují požadavky na bezpečný provoz např. ve výrobních halách nebo kontejnerových terminálech. Ale v budoucnu by se autonomní objekty měly pohybovat i ve všeobecně přístupných prostorách (nemocnice, odbavovací letištní haly nebo i veřejné komunikace a silnice), kde je nutno počítat s nekooperativním chováním osob (děti). K tomu je třeba splnit daleko přísnější požadavky. V současné době lze bezpečnost zajistit pouze při nepatrných rychlostech pohybu a schopnosti okamžitě zastavit při nebezpečí kolize. Pro budoucí bezpečné používání autonomních objektů je třeba vyřešit některé právní aspekty, např. kdo ručí při nehodě: uživatel, návrhář, výrobce autonomního systému, nebo výrobce nespolehlivého senzoru?

Standardizace senzorů

Aby bylo možné používat senzory různých výrobců bez přizpůsobovacího programování, je nutná standardizace a normalizace senzorů. Standardizace je jako prostředek pro pronikání na trhy velmi důležitá, a proto je nutné ji podporovat i v mezinárodních souvislostech, což není snadné, vzhledem k převažujícím malým a středním podnikům v německém odvětví snímací techniky. Zde musí zasáhnout oborový svaz pro senzoriku AMA a popř. i další organizace.

Závěr

Síla (ale také slabina) německého odvětví výroby senzorů je v tom, že produkuje snímací techniku přizpůsobenou jednotlivým zákazníkům. Tato technika je sice jedinečná, ale také patřičně drahá. Často je vyráběna v malém počtu kusů. Zákazník je na firmu úzce vázán a není bez ní schopen jakéhokoliv přizpůsobení při změně podmínek. Autonomika však potřebuje množství levných senzorů, pokud možno kdykoliv zaměnitelných, tedy standardizovaných, nebo dokonce normalizovaných. Projekt Autonomik nelze vlastně uskutečnit se současnou strukturou malých a středních firem zabývajících se senzorikou v Německu. Již v minulosti se odborný svaz AMA pokoušel zavést standardizaci přinejmenším v připojení a vzájemném spojování jednotlivých částí (modulů) senzorových systémů [3], avšak bezúspěšně. To si zřejmě uvědomují i tvůrci projektu Autonomik a snaží se nemalými finančními prostředky podpořit senzorový průmysl v cestě od individuálních senzorových řešení k univerzálním senzorovým systémům. Bude zajímavé sledovat, zda a jak se jim to podaří.

Literatura:

[1] Multimodale Sensorik. Konzepte zur Umwelter­kennung und -Modellierung. Autonomik Be­gleitsforschung. VDI/VDE Innovation + Technik GmbH, Berlin, 2012.

[2] SHUKLA, A. A.: Global Top 10 Hot Technologies to Invest, Übersicht. Frost and Sullivan, 2009. Dostupné na www.competence-site.de/Frost-and-Sullivan-Global-Top-10-Hot-Technologies-to-Invest [cit. 16. 1. 2013].

[3] HÁJEK, J.: Prosadí se modulární senzorika? Automatizace, 2005, 48, č. 9, s. 511–512.

Ing. Jan Hájek

Obr. 1. RoboGasInspector – kooperující inspekční robot vybavený dálkovým měřením úniků plynu

Obr. 2. Prototyp montážního asistentu vyvinutý v dílčím projektu viEMA