AGV激光導(dǎo)航定位技術(shù)綜述與發(fā)展趨勢

文/徐京邦 劉洋 李計星 周宇 王凌云

自動導(dǎo)引車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)是現(xiàn)代制造企業(yè)物流系統(tǒng)中的重要設(shè)備，主要用來搬運(yùn)各類物料，為系統(tǒng)柔性化、集成化、高效運(yùn)行提供了重要保證。

激光導(dǎo)航AGV以激光雷達(dá)作為探測外部周圍環(huán)境的傳感器，從而進(jìn)行導(dǎo)航定位。相比于其他導(dǎo)航方式，激光導(dǎo)航AGV具有較高的可靠性和柔性，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造的各個領(lǐng)域。

一、導(dǎo)航方式的形式及特點(diǎn)

1.基于反射標(biāo)記物的激光導(dǎo)航

在AGV行駛路徑的周圍布置足夠數(shù)量的激光反射標(biāo)記物，激光雷達(dá)探測并識別反射標(biāo)記物，從而進(jìn)行導(dǎo)航。通常，激光反射標(biāo)記物以反光板、反光柱的形式存在，如圖1、2。這種導(dǎo)航方式穩(wěn)定可靠，定位精度高，算法復(fù)雜度較低，對外界環(huán)境的要求較低，應(yīng)用廣泛。

圖1 條形反光板實(shí)物圖

圖2 圓柱形反光板實(shí)物圖

相比于其他導(dǎo)航方式，激光導(dǎo)航AGV具有較高的可靠性和柔性

2.基于外界自然環(huán)境的激光導(dǎo)航

這種導(dǎo)航方式又稱為自然導(dǎo)航，以AGV激光雷達(dá)探測到的輪廓信息作為參考，進(jìn)行導(dǎo)航。相比于依賴反射標(biāo)記物的激光導(dǎo)航方式，雖然自然導(dǎo)航的精度、可靠性相對較低（特別是在環(huán)境信息較為單一的情況下，如較長的走廊），算法復(fù)雜度相對較高，但是無需安裝激光反射標(biāo)記物，減少了AGV系統(tǒng)的安裝調(diào)試時間，提高了AGV系統(tǒng)的柔性。

3.基于反射標(biāo)記物和自然環(huán)境的復(fù)合式激光導(dǎo)航

復(fù)合導(dǎo)航，一方面利用周圍自然環(huán)境信息對AGV進(jìn)行定位，一方面在環(huán)境可識別性較差或需要進(jìn)行精確定位的站臺區(qū)域，布置反射標(biāo)記物，求解AGV的實(shí)時位置。

相比于前兩種導(dǎo)航形式，復(fù)合導(dǎo)航的算法復(fù)雜度最高，需要考慮信息融合的問題，具體表現(xiàn)為AGV實(shí)時位置的綜合求解以及地圖信息的統(tǒng)一描述。

三 激光導(dǎo)航的關(guān)鍵性問題

1.定位與構(gòu)建地圖

無論是物流倉儲的貨物分揀，還是生產(chǎn)制造的物料搬運(yùn)，對于激光導(dǎo)航AGV而言，都需要在調(diào)試階段存儲完整的地圖信息，然后再投入運(yùn)行，且運(yùn)行階段可不對全局地圖進(jìn)行修改或僅進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

獲取精確的地圖信息是十分重要的，直接影響到運(yùn)行階段的定位導(dǎo)航精度。一方面可以通過多次靜態(tài)探測，將多幅局部地圖進(jìn)行拼接，得到完整的地圖信息。另一方面，也可以通過同時定位與建圖（slam）得到完整地圖。

2.用于定位的內(nèi)部傳感器

通過用于定位的內(nèi)部傳感器（AGV舵輪的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向編碼器，或者AGV的慣性測量單元等），可以對AGV位置進(jìn)行求解。但是，這些內(nèi)部傳感器難免存在一定的不足。為了提高定點(diǎn)停車的定位精度，需要改善定位算法，更重要的是，可以通過增強(qiáng)外界環(huán)境信息來提高定位精度。具體方法有如下幾種：

（1）增加反光板數(shù)量；

（2）在停車位置附近構(gòu)建局部特定輪廓；

（3）引入磁釘、二維碼等導(dǎo)航方式；

（4）在AGV上加入視覺傳感器，掃描物料或托盤，實(shí)現(xiàn)AGV與目標(biāo)物的精準(zhǔn)對接?；诜瓷錁?biāo)記物的激光導(dǎo)航方式，技術(shù)相對成熟。自然導(dǎo)航因其具有更好的靈活性，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α；谏鲜鰞煞N方式的復(fù)合式激光導(dǎo)航，同時兼顧可靠性與靈活性，具有極高的研究價值。

圖3 點(diǎn)云輪廓

三、激光導(dǎo)航的發(fā)展趨勢

1.導(dǎo)航方式復(fù)合化

在大部分行駛區(qū)域，AGV進(jìn)行自然導(dǎo)航，在定位精度要求高的局部區(qū)域布置激光反射標(biāo)記物進(jìn)行導(dǎo)航。不僅如此，根據(jù)應(yīng)用場合的需求，可以再引入磁條、磁釘、二維碼等導(dǎo)航方式，提高AGV的導(dǎo)航精度與可靠性。

2.行駛路線的柔性化

面向工廠的AGV需要做到高可靠性、高效性，因此，基本上都是沿著預(yù)先設(shè)計好的固定路徑行駛。如同火車必須沿著軌道行駛一般，雖然可以選擇軌道，但是不能脫軌。

對此，可以將AGV接近取放貨站臺的分支末端的固定軌跡取消，允許AGV在接近終點(diǎn)的區(qū)域根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境信息，進(jìn)行自我規(guī)劃路徑。如此，一方面可以減少前期調(diào)試期間設(shè)計行駛線路的工作量，一方面也可以提高系統(tǒng)柔性，對在終點(diǎn)附近的障礙物有一定的避障作用。

3.導(dǎo)航信息模塊化

激光雷達(dá)基本的作用是通過探測周圍區(qū)域，獲取外界環(huán)境的輪廓，以點(diǎn)云的形式得到地圖信息，如圖3。有的激光雷達(dá)生產(chǎn)廠商，不僅提供了可配套兼容的驅(qū)動器及編碼器，還增添了獨(dú)立的導(dǎo)航模塊，導(dǎo)航模塊內(nèi)置定位算法，可以得到優(yōu)化后的地圖信息和AGV的實(shí)時位置，減少了研發(fā)人員二次開發(fā)的難度，縮短開發(fā)周期。

四、總結(jié)

激光導(dǎo)航AGV具有較高的可靠性、精準(zhǔn)性、靈活性，能夠適用于大部分的生產(chǎn)領(lǐng)域?；诜瓷錁?biāo)記物的激光導(dǎo)航方式，技術(shù)相對成熟。自然導(dǎo)航因其具有更好的靈活性，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α；谏鲜鰞煞N方式的復(fù)合式激光導(dǎo)航，同時兼顧可靠性與靈活性，具有極高的研究價值。

地圖構(gòu)建是激光導(dǎo)航AGV十分重要的內(nèi)容。激光導(dǎo)航結(jié)合AGV內(nèi)部定位傳感器可以獲得更好的導(dǎo)航質(zhì)量。在激光導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，引入新的導(dǎo)航方式用以輔助，配合外部環(huán)境添加的額外特定輪廓，可以使定位精度和可靠性進(jìn)一步提升。

由于激光導(dǎo)航AGV具有較大的市場需求和較為廣闊的應(yīng)用場景，AGV激光導(dǎo)航技術(shù)還應(yīng)不斷提升和完善。未來的激光導(dǎo)航AGV，導(dǎo)航方式復(fù)合多樣化，行駛路線更加靈活自由，導(dǎo)航信息的獲取和使用更加方便，便于開發(fā)調(diào)試人員以及生產(chǎn)操作人員的使用和維護(hù)。