AGV導(dǎo)航的技術(shù)科普

　　隨著智能制造的發(fā)展，工廠智能化已成為必然趨勢,無人搬運車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)作為自動化運輸搬運的重要工具，近年來的應(yīng)用越來越廣泛。很多制造和倉儲物流都考慮使用AGV小車，但是對它不是特別了解，不知道選用那種類型的AGV產(chǎn)品，然后會擔(dān)心AGV的種種問題。而導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)作為AGV的核心技術(shù)之一，無疑是選擇的關(guān)鍵，今天我們介紹下市場常見的多種不同導(dǎo)航方式AGV，讓更多的使用者有一個簡單的了解。

　　一、AGV導(dǎo)航導(dǎo)引的關(guān)鍵技術(shù)

　　AGV的導(dǎo)航導(dǎo)引是指AGV根據(jù)路徑偏移量來控制速度和轉(zhuǎn)向角，從而保證AGV精確行駛到目標(biāo)點的位置及航向的過程。主要涉及三大技術(shù)要點：

　　1.定位

　　定位是確定AGV在工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置及航向，是AGV導(dǎo)航導(dǎo)引的最基本環(huán)節(jié)。

　　2.環(huán)境感知與建模

　　為了實現(xiàn)AGV自主移動，需要根據(jù)多種傳感器識別多種環(huán)境信息：如道路邊界、地面情況、障礙物等。AGV通過環(huán)境感知確定前進方向中的可達區(qū)域和不可達區(qū)域，確定在環(huán)境中的相對位置，以及對動態(tài)障礙物運動進行預(yù)判，從而為局部路徑規(guī)劃提供依據(jù)。

　　3.路徑規(guī)劃

　　根據(jù)AGV掌握環(huán)境信息的程度不同，可分為兩種類型：一個是基于環(huán)境信息已知的全局路徑規(guī)劃，另一個是基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃，后者環(huán)境是未知或部分未知的，即障礙物的尺寸、形狀和位置等信息必須通過傳感器獲取。

　　二、常見的AGV導(dǎo)航導(dǎo)引方式

　　1.磁釘導(dǎo)航

　　該導(dǎo)航方式依然是通過磁導(dǎo)航傳感器檢測磁釘?shù)拇判盘杹韺ふ倚羞M路徑，只是將原來采用磁條導(dǎo)航時對磁條進行連續(xù)感應(yīng)變成間歇性感應(yīng)，因此磁釘之間的距離不能夠過大，且兩磁釘間AGV處于一種距離計量的狀態(tài)，在該狀態(tài)下需要編碼器計量所行走的距離。其次，磁釘導(dǎo)航所用控制模塊與磁條導(dǎo)航控制模塊相同。

　　磁釘導(dǎo)航的優(yōu)點：成本低、技術(shù)成熟可靠。導(dǎo)航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預(yù)埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導(dǎo)航輔助設(shè)備。磁釘抗干擾強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等影響。使用用戶外、室內(nèi)、下雨等等。

　　磁釘導(dǎo)航的缺點：AGV導(dǎo)航地面需滿足技術(shù)要求，即AGV導(dǎo)航路線內(nèi)不能有其他磁性物質(zhì)存在；AGV導(dǎo)航線路不能有消磁、抗磁物質(zhì)，影響AGV磁釘磁性。AGV磁釘導(dǎo)航線路一次鋪設(shè)，后續(xù)修改線路必須執(zhí)行二次作業(yè)，對比激光導(dǎo)航技術(shù)，磁釘導(dǎo)航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導(dǎo)航施工會對地面進行一定的破壞功能，即在地面開孔，然后回填，對施工技術(shù)要求嚴(yán)格，才能恢復(fù)原地面美觀要求。

　　2.磁條導(dǎo)航

　　磁條導(dǎo)航被認(rèn)為是一項非常成熟的技術(shù)，主要通過測量路徑上的磁場信號來獲取車輛自身相對于目標(biāo)跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實現(xiàn)車輛的控制及導(dǎo)航。磁條導(dǎo)航具有很高的測量精度及良好的重復(fù)性，磁導(dǎo)航不易受光線變化等的影響，在運行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設(shè)好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設(shè)、變更路徑較容易。

　　磁條導(dǎo)航的優(yōu)點：現(xiàn)場施工簡單。成本低、技術(shù)成熟可靠。對于聲光無干擾性。AGV運行線路明顯性。線路二次變更容易、變更成本低、變更周期短。對施工人員技術(shù)要求低

　　磁條導(dǎo)航的缺點：磁條易破損；由于地面鋪設(shè)磁條，整體美觀性下降。磁條不能連貫性，由于AGV轉(zhuǎn)彎會碾壓磁條，部分磁條會截斷不鋪設(shè)。磁條會吸引金屬物質(zhì)，導(dǎo)致AGV設(shè)備故障等等。需要其他傳感器實現(xiàn)定位站點功能。

　　3.激光導(dǎo)航

　　激光導(dǎo)航是在AGV行駛路徑的周圍安裝激光反射板，AGV通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當(dāng)前的位置和方向，并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導(dǎo)航。

　　激光導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)點：AGV定位精確。地面無需其他定位設(shè)施行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國內(nèi)外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進導(dǎo)航方式。

　　激光導(dǎo)航技術(shù)缺點：成本高，對環(huán)境要求較相對苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等）。激光導(dǎo)航設(shè)備價格高。激光導(dǎo)航設(shè)備適用于無遮擋環(huán)境。反光板成本高。

　　目前激光導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外AGV廠商的主流方案，由于其定位精度高、線路變更靈活、導(dǎo)航技術(shù)成熟等等因素導(dǎo)致激光導(dǎo)航已經(jīng)普及。

　　4.電磁導(dǎo)航

　　電磁導(dǎo)航是較為傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式之一，目前仍被采用，它是在AGV的行駛 路徑上埋設(shè)金屬線，并在金屬線加載導(dǎo)引頻率，通過對導(dǎo)引頻率的識別來實現(xiàn)AGV的導(dǎo)航功能。該導(dǎo)航技術(shù)類似于磁條導(dǎo)航，由于該導(dǎo)航技術(shù)美性不足、路徑變更困難等缺點，該技術(shù)方案逐漸被AGV廠商放棄，但是特定地場合也比較適合該導(dǎo)航技術(shù)，具體根據(jù)AGV工作環(huán)境要求。比如高溫環(huán)境下、線路平直性要求嚴(yán)格等要求。

　　電磁導(dǎo)航的優(yōu)點：成本低、技術(shù)成熟可靠。導(dǎo)航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預(yù)埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導(dǎo)航輔助設(shè)備。磁釘抗干擾強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等影響。使用用戶外、室內(nèi)等等

　　電磁導(dǎo)航的缺點：需要額外設(shè)備產(chǎn)生電磁信號。需要其他傳感器實現(xiàn)站點定位功能。AGV電磁導(dǎo)航線路一次鋪設(shè)，后續(xù)修改線路必須執(zhí)行二次作業(yè)，對比激光導(dǎo)航技術(shù)，電磁導(dǎo)航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導(dǎo)航施工會對地面進行一定的破壞功能，即在地面開槽，然后回填，對施工技術(shù)要求嚴(yán)格，才能恢復(fù)原地面美觀要求。

　　5.測距導(dǎo)航

　　該導(dǎo)航技術(shù)主要應(yīng)用于激光二位掃描儀對其周圍環(huán)境進行掃描測量，獲取測量數(shù)據(jù)然后結(jié)合導(dǎo)航算法實現(xiàn)AGV導(dǎo)航。該導(dǎo)航傳感器通常使用具有安全功能的安全激光掃描儀實現(xiàn)，由于采用安全激光掃描儀可以實現(xiàn)安全功能的同時也能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航測量功能。采用測距導(dǎo)航技術(shù)的AGV可以實現(xiàn)進入集裝箱內(nèi)部進行自動取貨送貨功能。

　　6.輪廓導(dǎo)航

　　輪廓導(dǎo)航是目前AGV最為先進的導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)利用二維激光掃描儀對現(xiàn)場環(huán)境進行測量、學(xué)習(xí)，并繪制導(dǎo)航環(huán)境，然后進行多少測量學(xué)習(xí)，修正地圖進而實現(xiàn)輪廓導(dǎo)航功能。利用自然環(huán)境（墻壁、柱子以及其它固定物體）進行自由測距導(dǎo)航根據(jù)環(huán)境測量結(jié)果更新位置。輪廓導(dǎo)航優(yōu)點：不需要反射器或其它人工地標(biāo)；降低安裝成本；減少維護工作；激光導(dǎo)航替代方案

　　7.混合導(dǎo)航

　　混合導(dǎo)航是多種導(dǎo)航的集合體，該導(dǎo)航方式是根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的變化應(yīng)運而生的。由于現(xiàn)場環(huán)境的變化導(dǎo)致某種導(dǎo)航暫時無法滿足要求，進而切換到另一種導(dǎo)航方式繼續(xù)滿足AGV連續(xù)運行。

　　8.光學(xué)導(dǎo)航

　　光學(xué)導(dǎo)航其實利用工業(yè)攝像機識別。該導(dǎo)航分為色帶跟蹤導(dǎo)航、二維碼識別等等功能。

　　9.二維碼導(dǎo)引

　　二維碼導(dǎo)引方式是通過離散鋪設(shè)QR二維碼，通過AGV車載攝像頭掃描解析二維碼獲取實時坐標(biāo)。二維碼導(dǎo)引方式也是目前市面上最常見的AGV導(dǎo)引方式，二維碼導(dǎo)引+慣性導(dǎo)航的復(fù)合導(dǎo)航形式也被廣泛應(yīng)用，亞馬遜的KIVA機器人就是通過這種導(dǎo)航方式實現(xiàn)自主移動的。這種方式相對靈活，鋪設(shè)和改變路徑也比較方便，缺點是二維碼易磨損，需定期維護。

　　適用場景：環(huán)境較好的倉庫

　　10.慣性導(dǎo)航

　　慣性導(dǎo)航是在AGV上安裝陀螺儀，利用陀螺儀可以獲取AGV的三軸角速度和加速度，通過積分運算對AGV進行導(dǎo)航定位，慣性導(dǎo)航優(yōu)點是成本低，短時間內(nèi)精度高，但這種導(dǎo)航方式缺點也特別明顯，陀螺儀本身隨著時間增長，誤差會累積增大，直到丟失位置，堪稱是“絕對硬傷”。使得慣性導(dǎo)航通常作為其他導(dǎo)航方式的輔助。如同上文所提到的二維碼導(dǎo)引+慣性導(dǎo)航的方式，就是在兩個二維碼之間的盲區(qū)使用慣性導(dǎo)航，通過二維碼時重新校正位置。

　　11.SLAM激光導(dǎo)航（自然導(dǎo)航）

　　SLAM激光導(dǎo)航則是一種無需使用反射板的自然導(dǎo)航方式，它不再需要通過輔助導(dǎo)航標(biāo)志（二維碼、反射板等），而是通過工作場景中的自然環(huán)境，如：倉庫中的柱子、墻面等作為定位參照物以實現(xiàn)定位導(dǎo)航。相比于傳統(tǒng)的激光導(dǎo)航，它的優(yōu)勢是制造成本較低。據(jù)小編了解，目前也有廠商（如：SICK）研發(fā)了適用于AGV室外作業(yè)的激光傳感器。

　　12.視覺導(dǎo)航

　　視覺導(dǎo)航也是基于SLAM算法的一種導(dǎo)航方式，這種導(dǎo)航方式是通過車載視覺攝像頭采集運行區(qū)域的圖像信息，通過圖像信息的處理來進行定位和導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航具有高靈活性，適用范圍廣和成本低等優(yōu)點，但是目前技術(shù)成熟度一般，利用車載視覺系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)路標(biāo)識別這一技術(shù)仍處于瓶頸階段。

　　三、AGV導(dǎo)航方式比較

　　早期的AGV多是用磁帶或電磁導(dǎo)航，這兩種方案原理簡單、技術(shù)成熟，成本低，但是改變或擴展路徑及后期的維護比較麻煩，并且AGV只能按固定路線行走，無法實現(xiàn)智能避讓，或通過控制系統(tǒng)實時更改任務(wù)。

　　目前AGV主流的導(dǎo)航方式是二維碼+慣導(dǎo)，這種方式使用相對靈活，鋪設(shè)或改變路徑也比較容易，但路徑需要定期維護，如果場地復(fù)雜則要頻繁的更換二維碼，另外對陀螺儀的精度及使用壽命要求嚴(yán)格。

　　隨著SLAM算法的發(fā)展，SLAM成為了許多AGV廠家優(yōu)先選擇的先進導(dǎo)航方式，SLAM方式無需其他定位設(shè)施，形式路徑靈活多變，能夠適應(yīng)多種現(xiàn)場環(huán)境。相信隨著算法的成熟和硬件成本的壓縮，SLAM無疑會成為未來AGV主流的導(dǎo)航方式。

　　SLAM大概分為激光SLAM（2D或3D）和視覺SLAM兩大類。

　　視覺SLAM目前尚處于進一步研發(fā)和應(yīng)用場景拓展階段。視覺SLAM因為信息量大，適用范圍廣等優(yōu)點受到了廣泛關(guān)注，但是算法對處理器的要求較高，一般需要準(zhǔn)桌面級的CPU甚至GPU，但是AGV用的多是嵌入式處理器，所以短時間很難在小型的AGV設(shè)備上大規(guī)模應(yīng)用。

　　激光SLAM比視覺SLAM起步早，理論和技術(shù)都相對成熟，穩(wěn)定性可靠性也得到了驗證，并且對于處理器的性能需求大大低于視覺SLAM，比如主流的激光SLAM可以在普通的ARM CPU上實時運行，目前有的AGV廠家已經(jīng)推出了基于激光SLAM導(dǎo)航的產(chǎn)品。無疑在一段時間內(nèi)激光SLAM還是主流的SLAM方案。

　　AGV導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)一直朝著更高柔性、更高精度和更強適應(yīng)性的方向發(fā)展，且對輔助導(dǎo)航標(biāo)志的依賴性越來越低。像SLAM這種即時定位與地圖構(gòu)建的自由路徑導(dǎo)航方式，無疑是未來的發(fā)展趨勢。相信不久的將來，5G、AI、云計算、IoT等技術(shù)與智能機器人的交互融合，將給AGV行業(yè)帶來翻天覆地的變化，而具有更高柔性、更高精度和更強適應(yīng)性的SLAM導(dǎo)航方式也將更適應(yīng)復(fù)雜、多變的動態(tài)作業(yè)環(huán)境。在多學(xué)科共同發(fā)展后，未來也一定會有更高端的AGV導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)。