רוברים רב־חיישניים: היתרונות של סקרים ומיפוי משילובי חיישנים מרובים

כל מי שנאלץ לסחוב ציוד מדידה מגושם על פני שטח קשה כנראה חלם אי פעם על מכשיר כמו ה"טרייקורדר" של מר ספוק – מכשיר קטן שתופס את כל מה שסביבך. מכשירים כאלה מהמדע הבדיוני חזו את גל ה-"Reality Capture" של ימינו.

שילובי חיישנים מרובים הפכו לנורמה והם חיוניים ליישומים גיאו-מרחביים רבים. קחו לדוגמה כלי רכב אוטונומיים. מטעמי בטיחות, אף טכניקת מיקום אחת אינה מספיקה. לכל סוג חיישן יש יתרונות וחסרונות: LiDAR, מכ"ם, GNSS ויחידת מדידה אינרציאלית (IMU). לכן, סטק טיפוסי יכלול מספר סוגי חיישנים. יותר נתונים מסוגים שונים עדיפים, במיוחד אם ניתן לשתף ייחוס מרחבי מדויק משותף. תחומי הסקרים והמיפוי נהנים מהמחקר והפיתוח של פתרונות אוטונומיים, ובמובנים מסוימים, גם פתרונות אוטונומיים נהנו ממורשת המחקר הגיאודטי.

פלטפורמות, מיקום והתקדמות

כאנשי סקרים ומיפוי, אנו מופצצים בחדשות ופרסומות על אין-ספור מכשירי Reality Capture: סורקי SLAM ידניים, מטעני רחפנים, מערכות מיפוי ניידות, תרמילים ועוד. רבים מהם משתמשים בחיישני OEM מקבוצת יצרנים מצומצמת – מגמה שדומה לגל הרוברים GNSS מצד שלישי לפני עשור.

בעוד שחיישנים בודדים מספקים נתונים מרשימים, השילוב במכשירי שדה עלול לקפח את המרכיב הקריטי: המיקום. ישנה נטייה לשמור על עלות, גודל וצריכת חשמל נמוכים ע"י שילוב רכיבי מיקום שנועדו לשוק ההמונים, כמו רכב אוטונומי. לא כל מערכת SLAM יכולה להרשות לעצמה יכולות מדידה מקצועיות, ולכן המשתמשים צריכים להיות מציאותיים.

סוקר מקצועי עשוי להתכווץ לשמע סיסמה כמו "דיוק של סנטימטר – בכל מקום!" גם עם רוברים מהשורה הראשונה, נדרשת מיומנות. אך מה אם פלטפורמת רובר מדויק תשלב מספר חיישנים? רעיון זה אינו חדש, והוא שאיפשר את הדור החדש של מערכות Reality Capture.

דיוק מיקום תוך כדי תנועה

רעיון שנשמע מנוגד לאינטואיציה: לגזור מיקום מדויק תוך כדי תנועה. פיצוי הטיה לרובר GNSS היה רצוי זמן רב. המטרה הייתה לייעל את העבודה בשטח ע"י ביטול הצורך ליישר את המוט לכל מדידה. שחרור מהבועה היה צעד ראשון לקראת אינטגרציה של חיישנים נוספים.

"דיוק דרך תנועה" הוא עיקרון יסוד של GNSS. מסלולי הלוויינים ניתנים לחיזוי ברמת דיוק גבוהה. באופן דומה, בתנועת ראש הרובר ניתן לחזות את מסלולו ולהציב על פיו את מדדי ההטיה.

בועות אלקטרוניות ופיצוי הטיה קיימים שנים רבות. לדוגמה, ב-Total Stations, ובשילוב GNSS+IMU למיפוי קרקעי, ימי ואווירי. מערכת SPAN של Hexagon | NovAtel מחשבת מיקומים מדויקים בזמן אמת, גם במהירויות גבוהות ובתנאים קשים. האתגר היה מזעור.

פיצוי הטיה ברוברים החל לפני יותר מעשור, למשל אצל JAVAD. אך מערכות אלו התבססו על מגנטיות – לא עקביות, ולא נוחות לכיול. זה השתנה עם השקת Leica GS18 T באוקטובר 2017, בכנס INTERGEO בברלין – רובר ראשון עם פיצוי הטיה ללא צורך בכיול. זה הוביל לשורה של פיתוחים דומים.

ברנרד ריכטר מ-Leica אמר אז: "רצינו להאיץ את המדידות עבור המשתמש". המערכת הייתה חלק מיוזמה של עשור לשיפור יעילות העבודה. לאחר זמן קצר, תכונת פיצוי הטיה הפכה לסטנדרט ברוב רוברי GNSS.

הוספת חיישנים

מערכת ניווט לוויינית גלובלית (GNSS) באזורים עם שדה ראייה מוגבל לשמיים היה הטריגר לשילוב חיישנים נוספים. כבר בשנות ה-90 שולבו לייזרים מדודים לרוברים, אך הכיוון הוגבל לתיאום מגנטי.

כשהושגה מיקום דינמי מדויק, נוספו מצלמות. לדוגמה, ב-JAVAD השתמשו במצלמה לפוטוגרמטריה. Leica שילבה מצלמות ב-GS18 I, שאיפשרו לכידת תמונות מתואמות מרחבית תוך כדי תנועה. בתוכנת Captivate, המשתמשים יכולים לבחור נקודות offset או לעבד ענן נקודות.

ראינו גם חברות נוספות שהציעו פיצוי offset באמצעות מצלמות. לאחרונה מופיעים גם רוברים עם LiDAR. אבל מתי נכון להשתמש במערכת Reality Capture ייעודית ולא ברובר GNSS מוגבר?

אריק גקסטטר מ-Discovery Management Group סיפק תובנות: "עם LiDAR אתה מייצר ענן נקודות, אבל עם רובר אתה מודד נקודות בודדות. מדובר בכוונה מדויקת". הוא הציג את רובר Skadi של Eos – עם אנטנה מובנית ופיצוי הטיה מלא, וידית חכמה המציעה חיישן מרחק עם לייזר ונקודות offset. הוא תיאר גם Peripheral לזווית שמאפשר ביצוע traverse בדומה ל-Total Station.

למרות יתרונות ברורים, גקסטטר מדגיש את הקושי: זמן פיתוח ארוך, אתגרי צריכת חשמל, גודל ומחיר. יצרנים שמשקיעים בפיתוח נושאים בעלויות כבדות, והתוצאה – ציוד יקר אך יעיל ובטיחותי.

LiDAR ברוברים

לידאר LiDAR הוא כלי חזק ליצירת ענן נקודות תלת־ממדי. אך לעיתים אין הצדקה לסריקה רשמית. לכן שולבו יכולות סריקה חלקיות בתחנות כוללות כמו Trimble SX12 ו-Leica MS60.

חברת CHC Navigation (CHCNAV) פיתחה את RS10 – רובר GNSS עם ראש סריקה LiDAR מובנה (16 או 32 ערוצים), תומך RTK ו-PPK, יכול לפעול גם כסורק SLAM.

לוגן ג'ו (CHCNAV) הסביר שהRS10 כולל גם שלוש מצלמות ואלגוריתמים לייצוב מיקום. Matt Sibole (iGage) מדווח שהלקוחות מרוצים גם מהדגמים i89 ו-i93.

השיקול: משקל נוסף. Sibole נוהג להשתמש קודם ברובר i89, ורק לאחר מכן לאסוף LiDAR ב-RS10. מערכות רבות מוצעות בפורמט נשיאה ידנית, תיק גב, רכב או רחפן – אך לא כולן כוללות GNSS איכותי.

שפע מצלמות

מצלמות קלות, זולות ומשולבות כמעט בכל רובר GNSS. Winston Wen מ-Tersus ניבא עתיד מבוסס רובר רב־חיישני. דגם Trek של החברה כולל מצלמה.

ג'סי האף (Tersus): "הפוטוגרמטריה תעקוף את LiDAR בהרבה יישומים – עם אלגוריתמים טובים יותר וחומרה מתקדמת". Tersus מציעה שלוש דרכים לבחירת נקודות: זיהוי אוטומטי, בחירה ידנית מרצף תמונות או יצירת ענן ובחירה מתוכו.

העיבוד מתבצע על בקר השטח (למשל TC40), ואפילו בטלפון אנדרואיד.

איכות GNSS

בתנאים ללא GNSS – מערכות Visual/SLAM מייצרות מודלים תלת־ממדיים מדויקים. לדוגמה, Leica BLK2GO עם GrandSLAM. אך בחוץ – יש צורך בנקודות ייחוס מוחלטות. כאן נכנסת החשיבות של GNSS איכותי.

חברת Looq AI שילבה GNSS+IMU איכותי במערכת מבוססת מצלמות בלבד. דומיניק מאייר, מנכ"ל Looq: "אלגוריתם הטריאנגולציה שלנו מדויק יותר ממערכות פוטוגרמטריה רגילות". הם מבצעים תיקון PPK בענן לפני עיבוד ענן הנקודות.

הם בחרו בקומפוננטים של Septentrio בזכות התמיכה ב-L5, עמידות להפרעות ושיבוש. כך נבנה מכשיר שיכול לעבוד גם בתנאי שמיים מוגבלים.

Duality

ברנרד ריכטר (Leica) מסביר: "סקרים הם גם Reality Capture – אך בגרסה סלקטיבית. ההבדל הוא בצורך בדיוק גבוה עבור גבולות, קונסטרוקציה, ניטור וכו'."

לכן Leica יצרה את GS18 T ואח"כ את GS18 I – כדי לשפר את האפקטיביות, ולא רק ליצור ענני נקודות. המטרה: לייעל מיפוי נקודות בודדות, אך להשאיר את האפשרות להפיק ענן בעת הצורך.

האתגר: היכולת לעבד כמות עצומה של נתונים. כרגע, התעשייה מפגרת מאחור בצד התוכנה. לפעמים עדיף מדידה קונבנציונלית – במיוחד לפרויקטים קטנים. אך לסריקה של כבישים או שטחים – כדאי לבחור רחפן או סורק יבשתי.

מה אם?

יצרנים שומרים סוד על הדור הבא – אך רואים מגמות ברורות: חיישני ToF, LiDAR מוצק, חיישנים קוונטיים. חיישני ToF בטלפונים יכולים להתחרות ב-LiDAR לטווח קצר. קיימות מערכות מבוססות ToF עם GNSS RTK.

למה לא לשלב ToF ברובר מתקדם? מתישהו זה יקרה. LiDAR מוצק כבר נכנס לרכבי סריקה. בעתיד, גם חיישני קוונטום ייכנסו: חיישני מכ"ם, אנטנות מיניאטוריות, גילוי שיבוש GNSS ועוד.

מכשיר ניווט קוונטי מסחרי כבר הוכרז. חלק מזלזלים באפשרות של רובר רב־חיישני – כמו מולטי־טול – נוח אך לא ייעודי. אך בתנאים הנכונים, ניתן להשיג דיוק גבוה עם יכולות משולבות.

יש גם כשלונות: פרויקט פיתוח רובר עם חיישנים רבים – הוקפא. לא כל שילוב מצליח. השאלה האמיתית: האם עדיף ציוד ייעודי נפרד, או מערכת משולבת שמתאימה למטרות שונות?

החדשות הטובות: החדשנות לא נעצרת. האפשרויות גדלות – ויש עוד הרבה מה לבוא.