文｜怡豐機器人
AGV的導(dǎo)航方式有很多，發(fā)展有先有后，都有各自的缺點和優(yōu)勢，需要根據(jù)實際的使用場景因地制宜。未來，融合導(dǎo)航是發(fā)展趨勢。
AGV導(dǎo)航發(fā)展歷史
AGV只有在工作環(huán)境中精確地知道自身的位置，明確工作區(qū)域才能實現(xiàn)有效工作。AGV的導(dǎo)航與定位是AGV行業(yè)的技術(shù)核心之一。
最早的無人搬運車運用在汽車行業(yè)中，1913年美國福特汽車公司將自動搬運車用到汽車底盤裝配上，當時的無人搬運車是有軌道導(dǎo)引的（現(xiàn)在稱為RGV）。1954年，英國人首先采用地板下埋線取代地面上的導(dǎo)引軌道，組成以電磁感應(yīng)引導(dǎo)的AGVS，1959年的美國，AGV首先應(yīng)用到倉儲自動化和企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)上。
上世紀60年代，計算機技術(shù)進步，AGV得到迅速發(fā)展。1973年瑞典VOLVO公司在KALMAR轎車廠的裝配線上采用了88臺AGV，使用計算機控制轎車的整個裝配作業(yè)。瑞典的NDC公司開發(fā)了AGV的第一代控制系統(tǒng)。
1990年，瑞典的NDC公司開發(fā)了第四代AGV控制系統(tǒng)（激光帶引系統(tǒng)）。1991年，荷蘭開始使用磁體網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)引技術(shù)。2000年，比利時的Egemin公司使用的導(dǎo)引技術(shù)為激光導(dǎo)引與慣性復(fù)合、激光測角與測距相結(jié)合的導(dǎo)引控制技術(shù)。
國內(nèi)的AGV研究起步較晚，1976年北京起重機械研究所研制了我國第一臺AGV。1988年，原郵電部北京郵政科學技術(shù)研究所研制了郵政樞紐AGV。991年起，中科院沈陽自動化研究所／新松機器人自動化股份有限公司研制了客車裝配AGV系統(tǒng)。1992年，天津理工學院研制了核電站用光學導(dǎo)引AGV。
國內(nèi)還通過引進國外技術(shù)與產(chǎn)品，推動AGV的發(fā)展。1980年，上海石化總廠為滌綸長絲作業(yè)從日本大福公司引進國內(nèi)第一套AGVS。1996年，玉溪卷煙廠引進韓國三星電磁導(dǎo)引 AGV52輛。1998年，昆明船舶設(shè)備集團公司在紅河卷煙廠研制了多模式激光導(dǎo)引無人自動車22輛。
可以說AGV技術(shù)發(fā)展就是導(dǎo)航導(dǎo)引方式的演進史。導(dǎo)航方式從最初的有軌導(dǎo)航到無軌導(dǎo)航，對特定標志物的依賴逐漸較少，對環(huán)境適應(yīng)性逐漸增強。
11種不同種類的AGV導(dǎo)航方式對比
導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)是AGV技術(shù)的核心之一，能讓AGV“知道”在哪里。常見的AGV導(dǎo)航導(dǎo)引方式有很多，目前已經(jīng)得到成熟應(yīng)用AGV導(dǎo)航有電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、磁釘導(dǎo)引、二維碼導(dǎo)引、色帶導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、混合導(dǎo)航等。面對這么多的導(dǎo)航導(dǎo)引方式，很多消費者便會疑惑，在決定使用AGV時，究竟該選擇何種導(dǎo)航方式。
下面是各種導(dǎo)航導(dǎo)引方式的具體介紹和應(yīng)用場景，為消費者選擇合適的導(dǎo)航導(dǎo)引方式提供借鑒意義。
1、電磁導(dǎo)引
電磁導(dǎo)引（圖1）是比較傳統(tǒng)的導(dǎo)引方式，實現(xiàn)形式是在自動導(dǎo)引車的行駛路徑上埋設(shè)金屬線，并在金屬線上加載低頻、低壓電流，產(chǎn)生磁場，通過車載電磁傳感器通過對導(dǎo)引磁場強弱的識別和跟蹤實現(xiàn)導(dǎo)航，通過讀取預(yù)先埋設(shè)的RFID卡來完整指定任務(wù)。
電磁導(dǎo)引的主要優(yōu)點為金屬線埋在地下，隱蔽性強，不易受到破環(huán)，導(dǎo)引原理簡單可靠，對聲光無干擾，制造成本低。缺點是金屬線的鋪設(shè)麻煩，且更改和拓展路徑困難，電磁感應(yīng)容易受到金屬等鐵磁物質(zhì)的影響。
電磁導(dǎo)引在路線較為簡單，需要24小時連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)制造（如汽車制造）有比較廣泛的應(yīng)用。
2、磁帶導(dǎo)引
磁帶導(dǎo)引（圖2）與電磁導(dǎo)引原理較為相近，也是在自動導(dǎo)引車的形式路徑上鋪設(shè)磁帶，通過車載電磁傳感器對磁場信號的識別來實現(xiàn)導(dǎo)引方式。
磁帶導(dǎo)引主要的優(yōu)點為技術(shù)成熟可靠，成本較低，磁帶的鋪設(shè)較為容易，拓展與更改路徑相對電磁導(dǎo)引較為容易，運行線路明顯，對于聲光無干擾。缺點為路徑裸露，容易受到機械損傷和污染，需要人員定期維護，容易受到金屬等鐵磁物質(zhì)的影響，AGV一旦執(zhí)行任務(wù)只能沿著固定磁帶運動，無法更改任務(wù)。
磁條導(dǎo)引適用于地面嵌入型、輕載牽引的狀態(tài)方式，可用于非金屬地面、非消磁的室內(nèi)環(huán)境，能夠穩(wěn)定持久作業(yè)。
圖3 怡豐機器人設(shè)計制造的磁條導(dǎo)航潛伏式AGV
磁釘導(dǎo)航（圖4）和磁條導(dǎo)航一樣都需要磁條傳感器來定位AGV相對于路徑的左右偏差，磁釘導(dǎo)航與磁條導(dǎo)航的差異就是磁條是連續(xù)鋪設(shè)的，磁釘額離散鋪設(shè)的。如果需要在完全使用磁釘導(dǎo)航，則需要鋪設(shè)大量磁釘。磁釘導(dǎo)引的優(yōu)點是成本低，技術(shù)成熟；隱蔽性好，較磁帶導(dǎo)航美觀；抗干擾性強，耐磨損，抗酸堿。磁釘導(dǎo)引的缺點是AGV路徑易受鐵磁物質(zhì)影響，更改路徑施工量大，磁釘?shù)氖┕Φ孛娈a(chǎn)生一定影響，磁釘導(dǎo)引在碼頭AGV上應(yīng)用較多。
磁釘導(dǎo)引在怡豐機器人的產(chǎn)品中以輔助導(dǎo)航的形式出現(xiàn)，為了提高AGV的定位精度。怡豐機器人設(shè)計制造的停車AGV為激光導(dǎo)航與磁釘導(dǎo)引復(fù)合導(dǎo)航，在AGV行駛路勁上使用激光導(dǎo)航，在精度要求較高的停車位上安裝磁釘進行精確定位。
4、二維碼導(dǎo)引
二維碼導(dǎo)引（圖5），坐標的標志通過地面上的二維碼實現(xiàn)。二維碼導(dǎo)引與磁釘導(dǎo)引較為相似，只是坐標標志物不同。二維碼導(dǎo)航的原理是自動導(dǎo)引小車通過攝像頭掃描地面QR二維碼，通過解析二維碼信息獲取當前的位置信息。二維碼導(dǎo)航通常與慣性導(dǎo)航相結(jié)合，實現(xiàn)精準定位。
二維碼導(dǎo)航目前在市場上十分火熱，主要原因是亞馬遜高價收購了KIVA二維碼導(dǎo)航機器人，其類似棋盤的工作模式令人印象深刻，國內(nèi)的電商，智能倉庫紛紛采用二維碼導(dǎo)航機器人。圖8是怡豐機器人研發(fā)制造的二維碼導(dǎo)航AGV，應(yīng)用智能倉庫領(lǐng)域，能夠安全穩(wěn)定實現(xiàn)搬運操作。二維碼導(dǎo)引的移動機器人的單機成本較低，但是在項目現(xiàn)場需要鋪設(shè)大量二維碼，且二維碼易磨損，維護成本較高。
5、色帶導(dǎo)引
色帶導(dǎo)引是在自動導(dǎo)引車的形式路徑上設(shè)置光學標志（粘貼色帶或涂漆），通過車載的光學傳感器采集圖像信號識別來實現(xiàn)導(dǎo)引的方法。光學導(dǎo)引與磁帶導(dǎo)引較為類似，主要的優(yōu)點是路面鋪設(shè)較為容易，拓展與更改路徑相對磁帶導(dǎo)引容易，成本低。缺點是色帶較為容易受到污染和破環(huán)，對環(huán)境的要求高，導(dǎo)引的可靠性受制于地面條件，停止定位精度較低。
色帶導(dǎo)引適合在工作環(huán)境潔凈，地面平整性好，AGV定位精度要求不高的場合。
6、激光導(dǎo)航
激光導(dǎo)航（圖8）一般就指基于反射板定位的激光導(dǎo)航，具體原理是在AGV 行駛路徑的周圍安裝位置精確的反射板，激光掃描器會安裝在 AGV 車體上。激光掃描器隨 AGV 的行走, 發(fā)出激光束，發(fā)出的激光束被沿 AGV 行駛路徑鋪設(shè)的多組反射板直接反射回來，觸發(fā)控制器記錄旋轉(zhuǎn)激光頭遇到反射板時的角度。控制器根據(jù)這些角度值與實際的這組反光板的位置相匹配，計算出 AGV 的絕對坐標，基于這個原理就可以實現(xiàn)非常精確的激光導(dǎo)引。
激光導(dǎo)航的方式使得AGV能夠靈活規(guī)劃路徑，定位準確，行駛路徑靈活多變，施工較為方方便，能夠適應(yīng)各種實用環(huán)境。由于激光導(dǎo)航的反光板處于較高的物理位置，不易受到破環(huán)。正常工作時不能遮蔽反光板，否則會影響其定位情況。激光導(dǎo)航由于成本較高，在目前AGV市場上占用率不是很高，但由于其優(yōu)越性，將會逐漸取代一些傳統(tǒng)的導(dǎo)航導(dǎo)引方式。
激光導(dǎo)航是AGV較為先進的導(dǎo)航方式，激光導(dǎo)航應(yīng)用在怡豐機器人的各個產(chǎn)品線上。
圖9 怡豐機器人三代激光導(dǎo)航停車系列AGV
這里是說的自然導(dǎo)航（圖12），也是激光導(dǎo)航的一種，也是通過激光傳感器感知周圍環(huán)境，不同的是激光導(dǎo)航（反射板）的定位標志為反射板或反光柱，而自然導(dǎo)航可以定位標志物可以為工作環(huán)境中的墻面等信息，不需要依賴反射板。相比于傳統(tǒng)的激光導(dǎo)航，自然導(dǎo)航的施工成本與周期都較低。
圖12是怡豐機器人設(shè)計制造的自然導(dǎo)航潛伏式AGV，與一般的激光導(dǎo)航同樣能夠行駛復(fù)雜的路徑。不同的是自然導(dǎo)航可以依靠墻壁等輪廓信息進行定位，能夠有效較少對反光板的依賴，降低施工成本。自然導(dǎo)航的缺點是對環(huán)境輪廓依賴比較大，當行駛路徑上的輪廓信息出現(xiàn)較大變化時就會出現(xiàn)精度降低的現(xiàn)象。
圖12：怡豐機器人自然導(dǎo)航潛伏式AGV
8、視覺導(dǎo)航
通過自動導(dǎo)引車車載視覺傳感器獲取運行區(qū)域周的圖像信息來實現(xiàn)導(dǎo)航的方法。圖13視覺導(dǎo)航“小精靈”是怡豐機器人研發(fā)的以地面紋理為特征信息的視覺導(dǎo)航AGV。硬件上需要下視攝像頭，補光燈和遮光罩等來支持該種導(dǎo)航方式的實現(xiàn)，可利用豐富的地面紋理信息，并基于相位相關(guān)法計算兩圖間的位移和旋轉(zhuǎn)，再通過積分來獲取當前位置。
該方式通過移動機器人在移動過程中攝像頭拍攝地面紋理進行自動建圖，再將在運行過程中獲取的地面紋理信息，與自建地圖中的紋理圖像進行配準對比，以此估計移動機器人當前位姿，實現(xiàn)移動機器人的定位。
圖13 視覺導(dǎo)航“小精靈”
視覺導(dǎo)航AGV目前在市場上的應(yīng)用較少，視覺紋理導(dǎo)航的優(yōu)點是硬件成本較低，定位精確。缺點是運行的地面需要有紋理信息，當運行場地面積較大，繪制導(dǎo)航地圖的時間相比激光導(dǎo)航長。
9、GPS導(dǎo)航
GPS（Global Positioning System）導(dǎo)航是通過車載GPS傳感器獲取位置和航向信息來實現(xiàn)導(dǎo)航的方法。GPS導(dǎo)航的導(dǎo)航精度較低，位置誤差在10米左右。GPS導(dǎo)航主要應(yīng)用在汽車、船舶、手機等定位，在精度要求較高的室內(nèi)AGV定位上使用較少。
10、慣性導(dǎo)航
慣性導(dǎo)航是利用移動機器人內(nèi)部傳感器，獲取位姿。主要有利用光電編碼器，陀螺儀，或者兩者同時使用。移動機器人的車輪上裝有光電編碼器，移動機器人在運動的過程中，利用編碼器的脈沖信號進行粗略的航位推算，確定移動機器人的位姿。利用陀螺儀可以獲取移動機器人的三軸角速度和加速度，通過積分運算獲取位姿信息，兩種航位推算可以進行融合。慣性導(dǎo)航的成本低，短時間定位精度較高，但會隨著運動累計誤差，直至丟失位置。所以一般情況下，慣性導(dǎo)航會作為其他導(dǎo)航方式的輔助定位。
11、復(fù)合導(dǎo)航
圖14 激光磁釘復(fù)合導(dǎo)航
復(fù)合導(dǎo)航（圖14）指應(yīng)用兩種或兩種以上導(dǎo)引（或?qū)Ш剑┓绞綄崿F(xiàn)自動導(dǎo)引車運行的方法。如二維碼導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合，利用慣性導(dǎo)航短距離定位精度高的特性，將兩個二維碼之間的導(dǎo)航盲區(qū)使用慣性導(dǎo)航。激光導(dǎo)航與磁釘導(dǎo)航組合應(yīng)用，在定位精度要求較高的站臺位置使用磁釘導(dǎo)航，增加AGV定位的穩(wěn)定性。復(fù)合導(dǎo)航是為了使AGV適應(yīng)各種使用場景常見的導(dǎo)航方式，也將越來越廣泛應(yīng)用在各種AGV上。
總結(jié)
怡豐機器人現(xiàn)在能夠提供各種導(dǎo)航方式的AGV，可以根據(jù)客戶需求實現(xiàn)最優(yōu)的解決方案。AGV各種導(dǎo)航方式的比較見表1。
表1 AGV導(dǎo)航方式比較
