文/怡豐機(jī)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(diǎn)和優(yōu)勢，需要根據(jù)實(shí)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(shí)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(yùn)車運(yùn)用在汽車行業(yè)中，1913年美國福特汽車公司將自動搬運(yùn)車用到汽車底盤裝配上，當(dāng)時的無人搬運(yùn)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(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jī)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(xué)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(jī)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(xué)院研制了核電站用光學(xué)導(dǎo)引AGV。
國內(nèi)還通過引進(jìn)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(jìn)國內(nèi)第一套AGVS。1996年，玉溪卷煙廠引進(jìn)韓國三星電磁導(dǎo)引 AGV52輛。1998年，昆明船舶設(shè)備集團(tuán)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(jìn)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(biāo)志物的依賴逐漸較少，對環(huán)境適應(yīng)性逐漸增強(qiáng)。
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(fèi)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(fèi)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(shí)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(qiáng)弱的識別和跟蹤實(shí)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(diǎn)為金屬線埋在地下，隱蔽性強(qiáng)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)引方式。
磁帶導(dǎo)引主要的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行線路明顯，對于聲光無干擾。缺點(diǎn)為路徑裸露，容易受到機(jī)械損傷和污染，需要人員定期維護(hù)，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(yùn)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(jī)器人設(shè)計(jì)制造的磁條導(dǎo)航潛伏式AGV
3、磁釘導(dǎo)引
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(diǎn)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(qiáng)，耐磨損，抗酸堿。磁釘導(dǎo)引的缺點(diǎn)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(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)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(jìn)行精確定位。
4、二維碼導(dǎo)引
二維碼導(dǎo)引（圖5），坐標(biāo)的標(biāo)志通過地面上的二維碼實(shí)現(xiàn)。二維碼導(dǎo)引與磁釘導(dǎo)引較為相似，只是坐標(biāo)標(biāo)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(dāng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人。圖8是怡豐機(jī)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(shí)現(xiàn)搬運(yùn)操作。二維碼導(dǎo)引的移動機(jī)器人的單機(jī)成本較低，但是在項(xiàng)目現(xiàn)場需要鋪設(shè)大量二維碼，且二維碼易磨損，維護(hù)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(xué)標(biāo)志（粘貼色帶或涂漆），通過車載的光學(xué)傳感器采集圖像信號識別來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引的方法。光學(xué)導(dǎo)引與磁帶導(dǎo)引較為類似，主要的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)際的這組反光板的位置相匹配，計(jì)算出 AGV 的絕對坐標(biāo)，基于這個原理就可以實(shí)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(zhǔn)確，行駛路徑靈活多變，施工較為方方便，能夠適應(yīng)各種實(shí)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(jìn)的導(dǎo)航方式，激光導(dǎo)航應(yīng)用在怡豐機(jī)器人的各個產(chǎn)品線上。
圖9 怡豐機(jī)器人三代激光導(dǎo)航停車系列AGV
7、自然導(dǎo)航
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(biāo)志為反射板或反光柱，而自然導(dǎo)航可以定位標(biāo)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(jī)器人設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)是對環(huán)境輪廓依賴比較大，當(dāng)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(jī)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(yùn)行區(qū)域周的圖像信息來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的方法。圖13視覺導(dǎo)航“小精靈”是怡豐機(jī)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(bǔ)光燈和遮光罩等來支持該種導(dǎo)航方式的實(shí)現(xiàn)，可利用豐富的地面紋理信息，并基于相位相關(guān)法計(jì)算兩圖間的位移和旋轉(zhuǎn)，再通過積分來獲取當(dāng)前位置。
該方式通過移動機(jī)器人在移動過程中攝像頭拍攝地面紋理進(jìn)行自動建圖，再將在運(yùn)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(jìn)行配準(zhǔn)對比，以此估計(jì)移動機(jī)器人當(dāng)前位姿，實(shí)現(xiàn)移動機(jī)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(diǎn)是硬件成本較低，定位精確。缺點(diǎn)是運(yùn)行的地面需要有紋理信息，當(dāng)運(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)器人的車輪上裝有光電編碼器，移動機(jī)器人在運(yùn)動的過程中，利用編碼器的脈沖信號進(jìn)行粗略的航位推算，確定移動機(jī)器人的位姿。利用陀螺儀可以獲取移動機(jī)器人的三軸角速度和加速度，通過積分運(yùn)算獲取位姿信息，兩種航位推算可以進(jìn)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(yùn)動累計(jì)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?shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引車運(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)的解決方案。AGV各種導(dǎo)航方式的比較見表1。
總之，AGV作為先進(jìn)的自動化搬運(yùn)方案，已經(jīng)被越來越多的行業(yè)和企業(yè)使用。AGV的導(dǎo)航方式有很多，發(fā)展有先有后，都有各自的缺點(diǎn)和優(yōu)勢，需要根據(jù)實(shí)際的使用場景因地制宜。
