物流自動化裝備與 AGV 搬運機器人技術(shù)解釋

　    AGV搬運機器人作為物流裝備中自動化水平高的產(chǎn)品，越來越多地應(yīng)用于倉儲、制造、醫(yī)療等多個行業(yè)領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的人工搬運方式，AGV搬運機器人在不需要人工駕駛的情況下就能夠沿預(yù)定的路線自動行駛，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。在物流行業(yè)，隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，亞馬遜的Kiva機器人、京東的無人倉計劃等都加快了自動化倉儲的進程。
　　AGV的調(diào)度控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其自動化的關(guān)鍵，即對AGV進行準(zhǔn)確調(diào)度，確保多個AGV能同時有序、規(guī)范作業(yè)。


　　通俗地說，AGV控制系統(tǒng)需要解決三個主要問題：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？歸納起來分別就是AGV控制系統(tǒng)中的三個主要技術(shù)：導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、導(dǎo)引控制。今天我們就來談?wù)凙GV的導(dǎo)航問題。
　　不同的AGV導(dǎo)航方式在適合的環(huán)境下，才能較好的發(fā)揮其優(yōu)勢。
　　AGV從發(fā)明至今，衍生出了多種導(dǎo)航方式，目前主流的方式有以下幾種：
　　電磁導(dǎo)航是種較為傳統(tǒng)的引導(dǎo)方式，通過在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻、低壓電流，使導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，AGV上的感應(yīng)線圈通過對導(dǎo)航磁場強弱的識別和跟蹤，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。由于金屬線是被埋設(shè)在地下的，具有非常隱蔽、不易破損、不易被污染的優(yōu)點，同時成本較低，原理簡單。這種布設(shè)方式也導(dǎo)致其路徑更改靈活性差，面對實際的作業(yè)要求，路徑需要改變時，就會帶來特別多的麻煩，而且施工量也會特別大。
　　磁帶導(dǎo)航與電磁導(dǎo)航有著比較相近的原理，在磁帶導(dǎo)航中，磁帶是被鋪設(shè)在路面上的。目前這種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用較為廣泛，使用起來靈活性較高，鋪設(shè)簡單，改變或擴充路徑容易。但因為磁帶外露，易受機械損傷和污染，導(dǎo)航的穩(wěn)定性受環(huán)境影響較大，容易受周圍金屬物質(zhì)的干擾。
　　光學(xué)導(dǎo)航是在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對光學(xué)傳感器采入的色帶圖像信號進行識別實現(xiàn)導(dǎo)引。光學(xué)導(dǎo)航的原理與磁帶導(dǎo)航方式類似，靈活性較好，布設(shè)簡單。但同樣容易受色帶污染和磨損的影響，對環(huán)境要求比較高。
　　激光導(dǎo)航是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置的激光反射板，AGV上的激光定位裝置發(fā)射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回來的信號，根據(jù)三角幾何運算來確定其當(dāng)前的位置和方向，實現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。這種方式的優(yōu)點是定位精度高，地面無需其它定位設(shè)施，行駛路徑可靈活改變。缺點是制造成本高，對光線、地面、能見度等環(huán)境的要求相對苛刻。
　　視覺導(dǎo)航是種比較新型的導(dǎo)航方式，在AGV上安裝CCD攝像機，行駛過程中通過視覺傳感器采集圖像信息并處理確定AGV的當(dāng)前位置。這種方式具備良好的導(dǎo)航柔性，隨著計算機圖像采集、儲存和處理技術(shù)的飛速發(fā)展，其實用性也會越來越強。
　　慣性導(dǎo)航以陀螺和加速度計為敏感器件，利用加速度計測量載體在慣性參考系的加速度，根據(jù)陀螺的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，經(jīng)過積分運算獲得載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置，達到導(dǎo)航定位的目的。
　　慣性導(dǎo)航技術(shù)早應(yīng)用于火箭制導(dǎo)，后來隨著科學(xué)技術(shù)的提高，人們對慣性技術(shù)了解的不斷普及和深入，慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已逐步從軍用擴展到民用。慣性導(dǎo)航是AGV領(lǐng)域項新興的技術(shù)，它是種自主式的導(dǎo)航技術(shù)，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航不需要布設(shè)任何設(shè)備，不依賴于外界環(huán)境，具有更大的運動自由度，更適合應(yīng)用于智能倉儲物流、車間移動裝配等。
　　除了上述提到的幾種主流導(dǎo)航方式，還有SLAM導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、混合導(dǎo)航（如激光磁釘混合導(dǎo)航）等比較新穎的導(dǎo)航技術(shù)。面對這么多種AGV導(dǎo)航技術(shù)解決方案，總結(jié)起來就是：大部分技術(shù)需要通過場地改造（鋪磁軌、貼色帶、貼地標(biāo)二維碼、安裝激光反射板）來實現(xiàn)，這些外部設(shè)施的搭建使得建設(shè)及維護成本高，受環(huán)境的限制大，靈活性較差。
　　微慣導(dǎo)AGV適用場景
　　慣性導(dǎo)航技術(shù)作為種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航定位技術(shù)，其優(yōu)勢在于給定了初始條件后，不需要外部參照就可確定當(dāng)前位置、方向及速度，適用于各種復(fù)雜地理環(huán)境和外界干擾下的定位，且能不斷測量位置的變化，保持動態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。隨著科技進步，成本較低、體積較小的微機械系統(tǒng)（MEMS）器件精度越來越高，“微慣導(dǎo)”定位技術(shù)己經(jīng)逐步推廣到工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，且在公安消防、應(yīng)急救援中得到了比較成熟的應(yīng)用。
　　微慣導(dǎo)AGV適用于如下場景：
　　1. 非固定路線，AGV可以全自由度移動；
　　2. 大場景長距離，路徑鋪設(shè)復(fù)雜，需要多個AGV協(xié)同完成任務(wù)；
　　3. 空間比較狹窄，需要AGV前進、后退或側(cè)向移動；
　　4. 路徑更改和場地拓展較為頻繁的場合；
　　5. 其他不方便鋪設(shè)磁條等設(shè)備的應(yīng)用場合。
　　以我們自主研發(fā)的微慣導(dǎo)人員定位產(chǎn)品為例，定位精度達到0.3%，相當(dāng)于走1公里誤差不到3米，適應(yīng)將高性能的微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品移植到AGV上，可為AGV、叉車等提供高精度的航向角、俯仰角、橫滾角等數(shù)據(jù)，獲取驅(qū)動輪數(shù)據(jù)后，結(jié)合慣導(dǎo)加速度信息可輸出穩(wěn)健的慣導(dǎo)定位結(jié)果。按AGV行駛速度為3m/s估算，10s內(nèi)定位誤差優(yōu)于5cm（排除環(huán)境干擾、AGV抖動、打滑等影響）。
　　下面是在沒有其他任何輔助信息的條件下，僅依靠采集微慣導(dǎo)的運動參數(shù)和機器人的速度參數(shù)，我們做的個AGV模擬小車定位效果試驗。小車行走的軌跡為5m*5.5m的矩形，總里程約60m。
　　在AGV的實際應(yīng)用場景中，倉儲、工廠等面積往往比較大，在大場景長距離情況下，由于慣導(dǎo)固有的漂移率，仍然會有較大的累積誤差，需要外部的信息進行校準(zhǔn)。
　　目前市面上也出現(xiàn)了些將慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于AGV的公司，大概是采用“慣性傳感器+磁釘”技術(shù)方案，利用磁釘加RFID等配合AGV車體進行糾偏，保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度及可靠性。但是這種方案同樣存在磁釘施工難度較大、路線拓展不便等問題。
　　“微慣導(dǎo)+UWB（稀疏配置）”的融合定位方式，如下圖所示，以微慣導(dǎo)定位為主，單個UWB基站輔助定位，利用UWB測距信息對慣導(dǎo)累積的位置和方向漂移進行校正，增強了AGV在復(fù)雜環(huán)境條件下的抗干擾能力，保證AGV在復(fù)雜軌跡運行時有較高的精度定位，同時實現(xiàn)多終端軌跡標(biāo)定。
　　在這個定位方案中，微慣導(dǎo)連續(xù)定位替代當(dāng)前大部分AGV導(dǎo)航方式中的離散定位，AGV路徑規(guī)劃突破了固定路線的束縛，具有更大的運動自由度，導(dǎo)航出錯時能夠及時糾正路線，規(guī)劃路線多，靈活性更高，特別適合于智能倉儲物流、車間移動裝配等應(yīng)用場景，特別適合多AGV并行工作。
　　工業(yè)的發(fā)展、電商的涌現(xiàn)、人力成本的劇增使得自動化倉儲成為趨勢，傳統(tǒng)倉儲物流勞動力效率低、人力成本高，已經(jīng)無法滿足企業(yè)運轉(zhuǎn)的需求。微慣導(dǎo)AGV在自動化倉儲行業(yè)的應(yīng)用，體現(xiàn)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主定位、不受干擾、布設(shè)簡單靈活等優(yōu)勢，體現(xiàn)了AGV的前衛(wèi)性、實用性、經(jīng)濟性、安全性、可靠性等特點。