AGV導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新路徑

文/本刊記者 張穎川

作為AGV的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來(lái)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展引起業(yè)界的高度重視。相關(guān)企業(yè)也在積極推動(dòng)AGV導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新，以適應(yīng)不斷變化發(fā)展的市場(chǎng)需要。本文在總結(jié)分析當(dāng)前AGV導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)、主流導(dǎo)航方式以及關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，對(duì)AGV導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，希望對(duì)行業(yè)發(fā)展有所裨益。

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)向車），因具有良好的柔性和較高的可靠性，能夠減少工廠和倉(cāng)庫(kù)對(duì)勞動(dòng)力的需求，且安裝容易、維護(hù)方便，近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

特別是隨著《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的全面推進(jìn)，以及電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，企業(yè)對(duì)高效、靈活、節(jié)能的自動(dòng)化物流系統(tǒng)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，對(duì)AGV技術(shù)也提出了更高的要求。作為AGV的關(guān)鍵技術(shù)之一，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展引起業(yè)界的高度重視。相關(guān)企業(yè)也在積極推動(dòng)AGV導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新，以適應(yīng)不斷變化發(fā)展的市場(chǎng)需要。

AGV導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)

AGV根據(jù)路徑偏移量來(lái)控制速度和轉(zhuǎn)向角，從而保證AGV精確行駛到目標(biāo)點(diǎn)的位置及航向的過(guò)程，叫做“導(dǎo)航”。AGV導(dǎo)航主要涉及三大技術(shù)要點(diǎn)：

1．定位

定位是確定移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)行環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及航向，是AGV導(dǎo)航的最基本環(huán)節(jié)。目前AGV定位方法分為:

（1）衛(wèi)星定位。它是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)用于AGV定位時(shí)存在近距離定位精度低等問(wèn)題。

（2）慣性定位。通過(guò)對(duì)固聯(lián)在載體上的三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀進(jìn)行積分，獲得載體實(shí)時(shí)、連續(xù)的位置、速度、姿態(tài)等信息。但慣性誤差經(jīng)過(guò)積分之后都會(huì)產(chǎn)生無(wú)限的累積，因此純慣性導(dǎo)航不適合長(zhǎng)時(shí)間的精確定位。

（3）電子地圖匹配定位。利用圖像處理技術(shù)，將實(shí)時(shí)獲取的環(huán)境圖像與基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配，從而確定載體當(dāng)前的位置，匹配的特征可以為設(shè)定的路標(biāo)、特定的景象或是道路曲率。電子地圖匹配特別適用于對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的定位誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

以上定位方式中，慣性定位為相對(duì)定位方式，可以獲得連續(xù)的位置、姿態(tài)信息，但存在累積誤差；衛(wèi)星定位、電子地圖匹配等定位方式為絕對(duì)定位，可以獲得精確的位置信息，但難以獲得連續(xù)姿態(tài)信息。相對(duì)定位與絕對(duì)定位方式存在較強(qiáng)的互補(bǔ)性，通常采用將兩者結(jié)合的組合定位方法。

2.環(huán)境感知與建模

為了實(shí)現(xiàn)AGV自主導(dǎo)航，需要根據(jù)多種傳感器識(shí)別多種環(huán)境信息：如道路邊界、地形特征、障礙、引導(dǎo)者等。AGV通過(guò)環(huán)境感知確定前進(jìn)方向中的可達(dá)區(qū)域和不可達(dá)區(qū)域，確定在環(huán)境中的相對(duì)位置，以及對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)判，從而為局部路徑規(guī)劃提供依據(jù)。

目前，多傳感器信息融合技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于AGV導(dǎo)航系統(tǒng)中，其所起的作用關(guān)系著機(jī)器人的智能化水平。這種技術(shù)的核心在于可以有效地對(duì)多傳感器收集到的信息進(jìn)行處理和融合，提高AGV自身對(duì)于不確定信息的抵抗能力，確保有更多可靠的信息被利用，有助于AGV更為直觀地判斷出周圍的環(huán)境。

3．路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是導(dǎo)航的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。AGV根據(jù)環(huán)境的變化，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行收集和分析，按照某一性能進(jìn)行搜索，進(jìn)而找出從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)無(wú)碰撞路徑或次優(yōu)無(wú)碰撞路徑；能夠處理環(huán)境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現(xiàn)的誤差，使外界對(duì)機(jī)器人的影響降到最?。焕靡阎畔?lái)引導(dǎo)AGV動(dòng)作，從而得到相對(duì)更優(yōu)的行為策略。

新松基于激光SLAM導(dǎo)航技術(shù)的“移動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)”

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(gè)是基于環(huán)境信息已知的全局路徑規(guī)劃，另一個(gè)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(guò)傳感器獲取。

主流導(dǎo)航方式及其特點(diǎn)

AGV從出現(xiàn)至今，已經(jīng)衍生出了多種導(dǎo)航方式，每種導(dǎo)航方式均有自己的獨(dú)特之處和用武之地。目前AGV主流的導(dǎo)航方式有以下幾種：

1.磁條導(dǎo)航

磁條導(dǎo)航是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，主要是通過(guò)在路面上鋪設(shè)磁條，通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器不間斷地感應(yīng)磁條產(chǎn)生的磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，通過(guò)讀取預(yù)先埋設(shè)的RFID卡來(lái)完成指定任務(wù)。磁條導(dǎo)航現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)于聲光無(wú)干擾性，AGV運(yùn)行線路明顯，線路二次變更容易、變更周期短，對(duì)施工人員技術(shù)要求低。但此導(dǎo)航方式靈活性差，AGV只能沿磁條行走，更改路徑需重新鋪設(shè)磁條，且磁條容易損壞，后期維護(hù)成本較高。

2.電磁導(dǎo)航

電磁導(dǎo)航是較為傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)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(guò)對(duì)導(dǎo)引頻率的識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)是引線隱蔽，不易污染和破損，導(dǎo)航原理簡(jiǎn)單而可靠，便于控制和通訊，對(duì)聲光無(wú)干擾，制造成本較低。缺點(diǎn)是路徑難以更改擴(kuò)展，對(duì)復(fù)雜路徑的局限性較大。

3.光學(xué)導(dǎo)航

光學(xué)導(dǎo)航是在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)采入的色帶圖像信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引。該導(dǎo)航方式分為色帶跟蹤導(dǎo)航、二維碼識(shí)別等功能。光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)成熟，應(yīng)用也較為廣泛。目前，亞馬遜應(yīng)用的KIVA機(jī)器人就是利用光學(xué)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的。該導(dǎo)航方式靈活性比較好，地面路線設(shè)置簡(jiǎn)單易行，但對(duì)色帶的污染和機(jī)械磨損十分敏感，對(duì)環(huán)境要求過(guò)高，導(dǎo)引可靠性較差，精度較低。

4.激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來(lái)確定其當(dāng)前的位置和航向，并通過(guò)連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。

此項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是，AGV定位精確，地面無(wú)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(chǎng)環(huán)境。缺點(diǎn)是制造成本高，對(duì)環(huán)境要求比較苛刻（外界光線、地面要求、能見(jiàn)度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）應(yīng)用。

5.視覺(jué)導(dǎo)航

視覺(jué)導(dǎo)航是在AGV上安裝CCD攝像機(jī)，AGV在行駛過(guò)程中通過(guò)視覺(jué)傳感器采集圖像信息，并通過(guò)對(duì)圖像信息的處理確定AGV的當(dāng)前位置。

視覺(jué)導(dǎo)航方式具有路線設(shè)置靈活、適用范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于利用車載視覺(jué)系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)路標(biāo)識(shí)別這一技術(shù)瓶頸尚未得到突破，因此，目前該方法尚未進(jìn)入實(shí)用階段。

6.慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過(guò)對(duì)陀螺儀偏差信號(hào)（角速率）的計(jì)算及地面定位塊信號(hào)的采集來(lái)確定自身的位置和航向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。

此項(xiàng)技術(shù)在軍方較早運(yùn)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)，定位精準(zhǔn)，地面處理工作量小，路徑靈活性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是制造成本較高，導(dǎo)引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號(hào)處理密切相關(guān)。

7.輪廓導(dǎo)航

輪廓導(dǎo)航是目前AGV最為先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)利用二維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量、學(xué)習(xí)，并繪制導(dǎo)航環(huán)境，然后進(jìn)行測(cè)量學(xué)習(xí)，修正地圖進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能。輪廓導(dǎo)航利用自然環(huán)境（墻壁、柱子以及其它固定物體）進(jìn)行自由測(cè)距導(dǎo)航，根據(jù)環(huán)境測(cè)量結(jié)果更新位置。該導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，不需要反射器或其它人工地標(biāo)，能夠降低安裝成本，減少維護(hù)工作。

導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

當(dāng)前的AGV市場(chǎng)可以說(shuō)是百花爭(zhēng)艷，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及電商、制造等行業(yè)對(duì)智慧物流更強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，一些物流系統(tǒng)集成商、新興物流機(jī)器人企業(yè)等在AGV導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域不斷發(fā)力，尋求創(chuàng)新突破。比較典型的技術(shù)創(chuàng)新包括SLAM導(dǎo)航、慣性+視覺(jué)導(dǎo)航、無(wú)反射板激光導(dǎo)航等。

1.SLAM導(dǎo)航

SLAM（SimultaneousLocalizatio nandMapping）導(dǎo)航，表示在不具備周圍環(huán)境先驗(yàn)信息的前提下，讓AGV在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)自身攜帶的傳感器和對(duì)周圍環(huán)境的感知進(jìn)行自身定位，同時(shí)增量式構(gòu)建環(huán)境地圖。SLAM方法可以提高AGV的自主能力和環(huán)境適應(yīng)能力，使AGV可以在未知的環(huán)境中進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。SLAM導(dǎo)航可以不需要預(yù)先鋪設(shè)任何軌跡，方便導(dǎo)航路線的更改，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障，有助于實(shí)現(xiàn)多AGV的協(xié)調(diào)控制。

在2017Ce MAT Asia展會(huì)上,SLAM導(dǎo)航AGV引起大家的高度關(guān)注。如新松機(jī)器人公司最新研發(fā)的“移動(dòng)搬運(yùn)平臺(tái)”，便是采用先進(jìn)的激光SLAM技術(shù)，導(dǎo)航精度高，可在高度動(dòng)態(tài)環(huán)境下提供迅速的、可追蹤的輸送流程，進(jìn)行智能化的自動(dòng)導(dǎo)航，躲避障礙和選擇最佳路徑完成任務(wù)。艾瑞思機(jī)器人參展的SLAM導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，可以依靠自身傳感器在未知環(huán)境中獲得感知信息，實(shí)時(shí)地創(chuàng)建周圍環(huán)境的地圖；同時(shí)，可利用創(chuàng)建的地圖實(shí)現(xiàn)自主定位，還可以主動(dòng)避開(kāi)障礙物。

2.慣性+視覺(jué)導(dǎo)航

當(dāng)前，復(fù)合導(dǎo)航是AGV導(dǎo)航的主要?jiǎng)?chuàng)新方向，其中慣性+視覺(jué)導(dǎo)航最為主流。該組合導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)CCD傳感器感知環(huán)境，由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理分析，獲取載體的位置和姿態(tài)等導(dǎo)航信息，進(jìn)而修正慣性誤差。一方面，視覺(jué)導(dǎo)航為慣性導(dǎo)航提供誤差補(bǔ)償信息，彌補(bǔ)了慣性誤差隨時(shí)間漂移的不足；另一方面，慣性導(dǎo)航憑借系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率高、不受光照等環(huán)境影響、短時(shí)定位精度高的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了視覺(jué)導(dǎo)航處理實(shí)時(shí)性不足的缺陷。

如?？禉C(jī)器人公司自主研發(fā)的阡陌倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人，采用二維碼視覺(jué)導(dǎo)航+慣性導(dǎo)航雙導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主定位，定位精度誤差小于5mm，穩(wěn)定高效，可智能協(xié)調(diào)作業(yè)，大幅提升運(yùn)維及管理效率。歐鎧公司最新研制的小精靈機(jī)器人是一款專門針對(duì)工廠內(nèi)簡(jiǎn)單輕型的物料搬運(yùn)的產(chǎn)品。它采用慣性+二維碼視覺(jué)導(dǎo)航，不僅小巧靈活，而且精度高、速度快，集自動(dòng)躲避障礙物、自由規(guī)劃路線、姿態(tài)保持等強(qiáng)大功能于一身，大大提高倉(cāng)庫(kù)作業(yè)效率。

3.無(wú)反射板激光自主導(dǎo)航

無(wú)反射板激光自主導(dǎo)航技術(shù)是艾吉威機(jī)器人自主研發(fā)的，獲得國(guó)家發(fā)明專利。該導(dǎo)航技術(shù)無(wú)需安裝反射板即可實(shí)現(xiàn)激光導(dǎo)航AGV小車的定位和避障，其特征在于：無(wú)需輔助導(dǎo)航標(biāo)志，快速自建地圖，柔性程度高，可適應(yīng)布局變動(dòng)；維護(hù)成本低，可遠(yuǎn)程診斷；可與WMS、MES信息交互，實(shí)現(xiàn)庫(kù)位管理；RFID、二維碼自動(dòng)選配識(shí)別托盤和貨物，數(shù)據(jù)庫(kù)管理；安全，人機(jī)可交互，兼容叉車手柄功能，配置高端機(jī)器人叉車功能。

無(wú)反射板激光自主導(dǎo)航叉車AGV的應(yīng)用模式比較全面，可以與自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)配套使用，也可以用在工業(yè)生產(chǎn)線上的物流裝配與物料周轉(zhuǎn)。另外艾吉威還在不斷開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用模式，例如輥筒叉車集成應(yīng)用。目前，艾吉威無(wú)反射板激光自主導(dǎo)航叉車應(yīng)用在汽車、家電、電子、電力、新能源等行業(yè)，且已出口海外。

4.其他技術(shù)創(chuàng)新

一些專注于AGV導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)的企業(yè)也在積極推動(dòng)AGV導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新。如蘇州坤厚自動(dòng)化科技有限公司，主要提供移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航模塊KHNaviKit和基于該技術(shù)的無(wú)人叉車AGV智能物流系統(tǒng)。該公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的基于異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)的機(jī)器人核心算法處理器可以提供穩(wěn)定可靠的定位數(shù)據(jù)，使之成為AGV理想的定位導(dǎo)航解決方案。

綜合來(lái)看，目前的AGV導(dǎo)航技術(shù)復(fù)雜多樣，不同的場(chǎng)合應(yīng)選用不同的導(dǎo)航技術(shù)，如：在有叉車行駛的場(chǎng)合，不宜選用磁條導(dǎo)航；路徑需要經(jīng)常變換的場(chǎng)合，應(yīng)考慮激光導(dǎo)航；露天環(huán)境，考慮到氣候因素，不宜采用激光導(dǎo)航；在環(huán)境惡劣的倉(cāng)庫(kù)，適宜使用磁釘和RFID導(dǎo)航；在環(huán)境比較好的場(chǎng)景，適宜使用二維碼導(dǎo)航。

云南昆船智能裝備有限公司總經(jīng)理?xiàng)钗娜A對(duì)此表示，隨著市場(chǎng)需求的不斷變化，未來(lái)還將有更多的導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)。導(dǎo)航技術(shù)沒(méi)有孰優(yōu)孰劣，只有合不合適。做任何事情都需要把可靠性擺在第一位，AGV導(dǎo)航也是如此，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境因地制宜地靈活運(yùn)用導(dǎo)航技術(shù)。

AGV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)， 隨著AGV應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)用的復(fù)雜程度越來(lái)越高，對(duì)其導(dǎo)航及相關(guān)技術(shù)也提出了許多新的要求。未來(lái)，AGV導(dǎo)航技術(shù)將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：

1. 無(wú)標(biāo)記自然導(dǎo)航將被更多采用

新松機(jī)器人公司高級(jí)副總裁王宏玉表示，未來(lái)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算以及人工智能與智能移動(dòng)機(jī)器人相互交融會(huì)越來(lái)越普及，將給AGV行業(yè)帶來(lái)天翻地覆的變化，要求AGV更加智能，更具柔性化。導(dǎo)航技術(shù)方面也將更先進(jìn)，越來(lái)越多的AGV將采用無(wú)標(biāo)記自然導(dǎo)航技術(shù)以適應(yīng)復(fù)雜、開(kāi)放的動(dòng)態(tài)環(huán)境。如自然輪廓導(dǎo)航，打破了傳統(tǒng)固定式導(dǎo)航方式，無(wú)需鋪設(shè)磁條、反射板等固定標(biāo)記物，同時(shí)具有自主避障能力，具有更高的柔性和極強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.視覺(jué)導(dǎo)航仍是重要發(fā)展方向

視覺(jué)導(dǎo)航由于具有探測(cè)范圍廣、目標(biāo)信息完整等優(yōu)點(diǎn)，被多位專家認(rèn)為是今后AGV導(dǎo)航技術(shù)的重要發(fā)展方向。目前來(lái)看，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)已取得了很多研究成果，但由于現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的限制，其中的圖像處理速度慢始終沒(méi)有得到很好的解決。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及快速圖像處理關(guān)鍵技術(shù)的突破，視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)將成為具有廣闊前景的AGV導(dǎo)航技術(shù)。

3.新技術(shù)引發(fā)新的解決思路

一些新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，將為AGV導(dǎo)航提供新的解決途徑。如圍繞個(gè)人移動(dòng)終端的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展方興未艾，基于Wi-Fi、藍(lán)牙的多種方案趨于成熟，并投入市場(chǎng)應(yīng)用。將這些技術(shù)與機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，或?qū)锳GV室內(nèi)導(dǎo)航開(kāi)辟新思路。

4. 新型傳感器技術(shù)的研發(fā)

記者在采訪中了解到，常規(guī)傳感器和多傳感器信息融合技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用已取得許多重大成果，但在一些特殊的環(huán)境中，非視覺(jué)傳感器的探測(cè)范圍和精度與視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)相比不是很理想，對(duì)于一些高精度的導(dǎo)航任務(wù)還不能勝任，需要開(kāi)發(fā)出新型傳感器及提出新的信息融合方法來(lái)彌補(bǔ)不足。因此，針對(duì)AGV導(dǎo)航的新型傳感器的研發(fā)和信息融合是業(yè)界今后研究的一個(gè)重要課題。