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AGV導(dǎo)航技術(shù)的創(chuàng)新路徑时间:2018-07-13 【转载】 阅读 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;利用已知信息來(lái)引導(dǎo)AGV動(dòng)作,從而得到相對(duì)更優(yōu)的行為策略。 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(SimultaneousLocalizationandMapping)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2017 CeMAT 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。 如海康機(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(mén)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(pán)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KH-NaviKit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。 文章來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 歡迎關(guān)注家居薈 長(zhǎng)按二維碼即可關(guān)注家居薈公眾號(hào),了解更多更有用和有趣的家居知識(shí)! |