Kotieläintuotanto

Miten robottikäsivarren 3D-kamera toimii lypsyroboteissa?

Tuomas Anttila
GEA:n Time of Flight -kamerassa on neljä led-valoa, jotka valaisevat lehmän vetimet tietyllä aallonpituudella. Keskellä oleva kameran sensori tunnistaa näiden valonsäteiden palaamishetken. Järjestelmä voi laskea kuvan eri alueiden etäisyydet, kun tiedetään joko valon lähtöajan ja palaamisajan erotus, tai säteilyn vaihe lähtö- ja palaamishetkellä.

Konenäöstä on puhuttu viime vuosina paljon varsinkin autonomisten työkoneiden ja kulkuneuvojen yhteydessä. Lypsyroboteissa konenäköä on käytetty jo 20 vuoden ajan lehmän vedinten löytämiseksi.

Laserkeilaus

Ennen 2010-lukua kaikkien lypsyrobottien konenäkö perustui 3D-kameran sijaan laserkeilaukseen. Lypsyroboteissa keilain koostuu pystysuoralla akselilla pyörivästä peilistä, joka heijastaa laserosoittimen säteitä. Peilin pyöriessä säteet kimpoavat vaakatasossa kulkevalle kehälle. Säteet heijastuvat kohtaamastaan pinnasta, eli tässä tapauksessa lehmän vetimestä takaisin kohti keilaimen sensoria. Lasersäteen matkaan kulunut aika mitataan, ja näin saadaan jokaiselta pyyhkäisyltä etäisyystieto vaaka-akselilla.

Voidaan siis ajatella, että jokainen pyyhkäisy muodostaa kuvaan yhden vaakarivin pikselit, jossa pikselin arvona toimii syvyystieto. Jotta kuvaan saataisiin kaikki vaakarivit, ja näin ollen täysi käsitys kohteesta, täytyy laserkeilainta liikuttaa pystysuunnassa lypsyrobotin käsivarren avulla. Tämä osaltaan hidastaa kohteen tunnistusta, ja kertoo ainoastaan staattisen tilanteen, eli lehmän liikkuessa skannauksen antamat koordinaatit eivät enää pidäkään paikkaansa.

Time of Flight -kamera

2010-luvun aikana jatkuvaa syvyystietoa tuottavat Time of Flight -kamerat (lyhemmin ToF) ovat alkaneet yleistyä, ja löytäneet tiensä myös lypsyrobottien käsivarsiin. Kyseessä on hyvin paljon laserkeilausta muistuttava menetelmä, jossa yksittäisten vaaka-akselien sijaan saadaan kuvan päivittyessä tieto koko kuvausalueelta.

Menetelmän suomenkielinen nimi on kulkuaikatekniikka, joka viittaa siihen, että tässäkin tapauksessa mitataan lähetetyn valon kulkemaa aikaa. Yksittäisten säteiden sijaan kameran ympärille sijoitetut led-valot valaisevat koko kuvausalueen. Lähetetty valo kimpoaa eri etäisyydellä olevista kohteista eri aikaan, ja näiden kimmonneiden säteiden saapumisaika saadaan selville kameran avulla. Lähetetty valo voi olla joko vilkkuvaa, jolloin mitataan välähdyksen ja säteen palaamisen aikaeroa, tai jatkuvaa, jolloin mitataan säteilyn vaihe-eroa, josta voidaan päätellä kulkuaika.

Menetelmän etuna laserkeilaukseen on koko kuvausalueen jatkuva mittaus. Se tekee 3D-kamerasta varsin nopean, sillä esimerkiksi noin 2 000– 3 000 euron hintainen Basler Time of Flight -kamera kykenee 20 Hz kuvaustaajuuteen, eli kuva päivittyy 50 millisekunnin välein. Nopeimmat ToF-kamerat pystyvät jopa 160 Hz päivitystaajuuteen. Halvempiakin vaihtoehtoja toki on, sillä jopa alle 500 euron älypuhelimista saattaa löytyä ToF-kamera, jonka perusteella kamera tekee tarkennuksen.

Ongelmaksi sen sijaan voi muodostua esimerkiksi suora auringonvalo, joka päihittää kameran oman valonlähteen. Tämä ei kuitenkaan lypsyrobotin tapauksessa ole ongelma, sillä lehmän alle robottikopin sisälle harvemmin pääsee suoraa auringonpaistetta. Myös mittausetäisyys on ToF-kameran heikkous laseriin verrattuna, mutta koska ToF-kameroilla päästään noin 10 metrin mittausetäisyyksiin, ei sekään tule lypsyrobotissa ongelmaksi.

Tuomas Anttila
Vasemmalla näkyy alkuperäinen kameran kuva ja oikealla syvyyskuva, joka on laskettu valonsäteiden kulkuajan perusteella. Pikselin sävy kertoo syvyyskuvassa etäisyyden, vaalean ollessa kaukana ja tumman lähellä. Vetimet tunnistetaan syvyyskuvasta etsimällä U:n muotoista reunaa.