SLAM導航AGC在整車廠的應用

俞鑫

（上汽通用汽車有限公司,上海 201206）

SLAM導航技術已進入人們的日常，最典型的例子是掃地機器人和無人駕駛汽車，但運用SLAM導航技術的AGC目前卻并不多見。高昂的硬件成本以及尚不成熟的軟件算法，都成為SLAM導航AGC推廣、普及的直接壁壘。近些年來，隨著國家“中國制造2025”不斷推進，在制造行業(yè)內，一線生產設備正逐步從自動化向更高端的智能化要求升級。因此SLAM導航AGC在整車廠應用如何克服壁壘，是否適用于整車廠復雜的運行環(huán)境，除了新穎“黑科技”的既視感它還能給我們汽車整車廠帶來什么直接的、潛在的收益，都顯得具備著研究價值。

1 SLAM技術

1.1 概述

什么是SLAM，大部分人只知道它是一種新的導航技術，但并不清楚它的具體含義。它的英文名稱是Simultaneous Localization And Mapping ，中文名稱 “同步定位及建圖” 。SLAM技術主要包含了同步定位和建圖兩個環(huán)節(jié)，事實上是先在自身位置不確定的條件下,在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖,再同時利用地圖進行自主定位和導航。本文將首先從硬件和軟降邏輯上來介紹SLAM技術。1.2 硬件

圖1 SLAM傳感器分類

SLAM實現(xiàn)建圖和定位的硬件基礎，按傳感器種類來分，主要有激光SLAM和VSLAM（視覺SLAM）兩大類。其中，激光SLAM比VSLAM起步早，在理論、技術和產品落地上都相對成熟，是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導航方法。VSLAM目前尚處于進一步研發(fā)和應用場景拓展、產品逐漸落地階段。常見的激光雷達有單線雷達和多線雷達，角分辨率及精度各有千秋；常見的視覺攝像頭分為單目、雙目、單目結構光、雙目結構光、TOF等幾大類。

激光SLAM主要應用于室內環(huán)境，VSLAM在室內外環(huán)境下都能運行，但對光的依賴程度較高,無法應用于光線較暗或者無紋理的區(qū)域。若結合控制器運算成本綜合來考量，目前激光SLAM還是有較明顯優(yōu)勢的，后文也會從激光SLAM的原理和應用來進一步分析。

1.3 建圖及定位

在SLAM AGC運行時，首先通過激光雷達掃描周邊環(huán)境，用以描述車間工作空間的二位平面特征。SLAM導航AGC在整車廠內運用須首先在車間內把可能運行的環(huán)境空間全部掃描一遍，建立起基礎地圖并保存，同時在地圖的數(shù)學模型上建立好最小分辨率的坐標系。有了基礎地圖后，AGC實時運行并掃描周邊環(huán)境，通過對激光雷達、里程計等數(shù)據(jù)進行融合，依據(jù)位置估計和地圖進行自身定位。至此，AGC小車建立了自己的地圖，知道了自己在地圖中的定位，并能通過激光雷達感知小車周圍的環(huán)境，要完成小車的運行動作就差實現(xiàn)小車的導航。

1.4 導航

導航就是讓AGC小車從基礎地圖的某個起始點A按照一定規(guī)則的路徑運行到達另一個目標點B，其中實時定位和導航算法是核心難點。要獲取小車的實時精確定位，須將激光雷達掃描所獲取的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)與之前建立好的基礎地圖進行比對，當小車周邊環(huán)境發(fā)生變化在基礎地圖上無法比對出定位怎么辦。為了解決這個問題，SLAM導航引用了蒙特卡洛算法，它將AGC小車周邊環(huán)境轉成各種粒子，且賦予不同的權值，離AGC小車越近或越為固定可靠的粒子權值會越高，且在實時運算時反復采樣計算權值，加權后的采樣粒子從最大限度上降低甚至屏蔽了部分周邊環(huán)境變化對小車定位的影響。只要激光雷達自身采集的數(shù)據(jù)是準確的，小車的定位理論上就是精準的。但當激光雷達自身采集數(shù)據(jù)不精準，就會直接導致小車定位不準，因此實際定位時還引入了里程計和陀螺儀等相對定位設備。相對定位設備通過計算小車相對于初始位置的距離和方向來確定小車當前的位置，該相對位置會與激光雷達測算的絕對位置按一定的置信度結合后得到小車的輸出定位數(shù)據(jù)。當下主流SLAM導航小車定位精度很難達到磁條導航等10mm以內精度。

導航算法建立在實時定位的基礎之上，從基礎地圖的起始點A到目標點B，可以是固定不變的點A和點B，也可以是隨機指定的點A和點B。如果是固定點，須要在基礎地圖上提前給出A和B的坐標以及從點A到點B的期望運行路徑，激光雷達實時感知周邊環(huán)境，使小車的坐標隨基礎地圖上規(guī)劃好的路徑運行。如果是隨機指定的點A和點B，首先要在基礎地圖上根據(jù)算法規(guī)劃出一條短安全的全局路徑，實際運行時AGC小車會盡量跟隨全局路徑，同時依據(jù)A*算法考慮AGC小車的允許運行區(qū)域、路徑長短、到達目的地的障礙物規(guī)避等因素，在限定范圍內偏離全局路徑。

圖2 SLAM AGC自主導航

2 整車廠應用

2.1 概述

大致介紹了SLAM導航的原理，我們認知到SLAM導航技術的關鍵是激光雷達、定位與導航的算法，無須對運行環(huán)境做任何的施工或者改造，相較其他傳統(tǒng)導航還是存在一定的優(yōu)勢的。與之形成對比的是磁條導航AGC須要在車間里提前規(guī)劃、布置磁條路徑帶以及保護磁條的膠帶。本文將著眼于多個維度來分析SLAM導航AGC在整車車間的應用的優(yōu)、劣勢。

2.2 前期施工

磁條導航為了避免整車廠車間內的其他車輛對磁條造成破壞，須要在車間地面開槽預埋磁條或者在貼好的磁條上鋪設一層保護膠帶。SLAM導航前期須要做的是掃描構建車間環(huán)境地圖，并且在控制器內做好坐標維護，更多的是軟件維護工作。

2.3 后期維護

磁條導航的磁條在后期應用中須要定期檢查和維護，長時間受其他物流車輛碾壓后產生斷裂損壞的情況就必須更換。SLAM導航的后期維護量較小，只須確認基礎地圖坐標系的準確性。

2.4 應用成本

磁條導航須要磁感應器成本在數(shù)千元，磁條和保護帶的鋪設成本約100元每米。SLAM導航的硬件基礎是激光雷達，通常成本在萬元以上，同時大量的軟件開發(fā)調試工作，導致其應用成本非常高。

2.5 技術成熟

磁條導航技術在整車廠內廣泛應用，尋跡運行且磁條軌跡目視化程度高，穩(wěn)定性較好。SLAM導航基于激光雷達，抗粉塵性較差，算法復雜且不斷更新，程序穩(wěn)定性存疑。

2.6 適用環(huán)境

磁條導航環(huán)境適應性強，通常只受金屬物磁化干擾。SLAM導航目前更多運用于微電子行業(yè)無塵車間，整車廠運用案例較少，適用性有待驗證。

2.7 小結

綜合來看，SLAM導航AGC在前期施工量、后期維護成本上有明顯的優(yōu)勢，避免了很多磁條導航AGC在整車廠應用的弊端，但是在成本、技術成熟性上并沒有太大的優(yōu)勢，總體來說還是極具研究價值的。如果未來SLAM在使用量上升后，能充分降低硬件、軟件成本，它推廣普及的壁壘也會隨之降低。

3 試點案例

3.1 背景

SLAM導航AGC運行于某總裝車間，將運入車間的料車根據(jù)系統(tǒng)時間推算，在生產線線邊物料用盡時將替換物料運輸至線邊，并將空料車取回。

3.2 問題及建議

SLAM算法非常復雜，經簡化后為包含路徑、目標點、障礙物三個參數(shù)的代價公式來計算局部路徑。障礙物的權重在三者中必須最高，否則AGC小車會以較低的速度靠近障礙物，直至相撞。但障礙物權重若設置過高，小車又會突發(fā)性地偏離全局路徑，易直接觸發(fā)安全防護裝置。筆者認為只有充分地研究整車廠車間內的復雜情況，通過反復的調整、測試、驗證，才可能獲得安全的、理想的運行路徑。

激光SLAM不擅長動態(tài)變化環(huán)境中的定位，也不擅長在相似的幾何環(huán)境中工作。整車廠車間內恰好料架拖動頻繁又有很多相似的直線車道，因此SLAM導航AGC運行容易丟失定位。為了避免SLAM導航AGC丟失定位，除了采取前文所提到的蒙特卡洛算法，里程計、陀螺儀綜合定位外，在一些相似度較高的地方還增添了固定參照物來輔助定位，既避免了丟失定位的情況，也提高了SLAM的定位、導航精度。但這同時這也意味著須要定期維護固定參照物，SLAM導航AGC一定程度上失去了自己免維護的優(yōu)勢。筆者認為如何徹底擺脫輔助定位會是未來激光SLAM技術的重點研究方向和突破。

由于SLAM導航技術沒有目視化的運行路徑，還須要在車間內不同位置做好相應的目視化提示標志，加強交通管制并通過清晰可見的交通燈管制其他物流車輛，充分利用聲光報警等提醒措施來最大限度地規(guī)避安全風險，使SLAM導航AGC在安全的前提下持續(xù)運行，積累運行數(shù)據(jù)。

4 結語

本文研究介紹了SLAM導航技術的主要環(huán)節(jié)：建圖、定位和導航，經過分析推薦在整車廠使用激光SLAM導航方案。之后對比了SLAM導航與傳統(tǒng)磁條導航的多方面性能，肯定了在整車廠應用SLAM導航的價值。最后借試點案例，總結了實際應用時得出的部分經驗，為后續(xù)的應用提出建議。同時筆者相信憑借著SLAM技術本身的優(yōu)勢，再伴隨傳感器技術、智能算法的不斷進步，SLAM導航AGC也會完成進化，更多地出現(xiàn)在整車廠中，也將更適用于整車廠中，成為工廠智能化的重要一環(huán)。