AGV導航的技術科普

　　隨著智能制造的發展，工廠智能化已成為必然趨勢,無人搬運車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)作為自動化運輸搬運的重要工具，近年來的應用越來越廣泛。很多制造和倉儲物流都考慮使用AGV小車，但是對它不是特別了解，不知道選用那種類型的AGV產品，然后會擔心AGV的種種問題。而導航導引技術作為AGV的核心技術之一，無疑是選擇的關鍵，今天我們介紹下市場常見的多種不同導航方式AGV，讓更多的使用者有一個簡單的了解。

　　一、AGV導航導引的關鍵技術

　　AGV的導航導引是指AGV根據路徑偏移量來控制速度和轉向角，從而保證AGV精確行駛到目標點的位置及航向的過程。主要涉及三大技術要點：

　　1.定位

　　定位是確定AGV在工作環境中相對于全局坐標的位置及航向，是AGV導航導引的最基本環節。

　　2.環境感知與建模

　　為了實現AGV自主移動，需要根據多種傳感器識別多種環境信息：如道路邊界、地面情況、障礙物等。AGV通過環境感知確定前進方向中的可達區域和不可達區域，確定在環境中的相對位置，以及對動態障礙物運動進行預判，從而為局部路徑規劃提供依據。

　　3.路徑規劃

　　根據AGV掌握環境信息的程度不同，可分為兩種類型：一個是基于環境信息已知的全局路徑規劃，另一個是基于傳感器信息的局部路徑規劃，后者環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傳感器獲取。

　　二、常見的AGV導航導引方式

　　1.磁釘導航

　　該導航方式依然是通過磁導航傳感器檢測磁釘的磁信號來尋找行進路徑，只是將原來采用磁條導航時對磁條進行連續感應變成間歇性感應，因此磁釘之間的距離不能夠過大，且兩磁釘間AGV處于一種距離計量的狀態，在該狀態下需要編碼器計量所行走的距離。其次，磁釘導航所用控制模塊與磁條導航控制模塊相同。

　　磁釘導航的優點：成本低、技術成熟可靠。導航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導航輔助設備。磁釘抗干擾強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等影響。使用用戶外、室內、下雨等等。

　　磁釘導航的缺點：AGV導航地面需滿足技術要求，即AGV導航路線內不能有其他磁性物質存在；AGV導航線路不能有消磁、抗磁物質，影響AGV磁釘磁性。AGV磁釘導航線路一次鋪設，后續修改線路必須執行二次作業，對比激光導航技術，磁釘導航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導航施工會對地面進行一定的破壞功能，即在地面開孔，然后回填，對施工技術要求嚴格，才能恢復原地面美觀要求。

　　2.磁條導航

　　磁條導航被認為是一項非常成熟的技術，主要通過測量路徑上的磁場信號來獲取車輛自身相對于目標跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實現車輛的控制及導航。磁條導航具有很高的測量精度及良好的重復性，磁導航不易受光線變化等的影響，在運行過程中，磁傳感系統具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑較容易。

　　磁條導航的優點：現場施工簡單。成本低、技術成熟可靠。對于聲光無干擾性。AGV運行線路明顯性。線路二次變更容易、變更成本低、變更周期短。對施工人員技術要求低

　　磁條導航的缺點：磁條易破損；由于地面鋪設磁條，整體美觀性下降。磁條不能連貫性，由于AGV轉彎會碾壓磁條，部分磁條會截斷不鋪設。磁條會吸引金屬物質，導致AGV設備故障等等。需要其他傳感器實現定位站點功能。

　　3.激光導航

　　激光導航是在AGV行駛路徑的周圍安裝激光反射板，AGV通過發射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當前的位置和方向，并通過連續的三角幾何運算來實現AGV的導航。

　　激光導航技術優點：AGV定位精確。地面無需其他定位設施行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現場環境，它是目前國內外許多AGV生產廠家優先采用的先進導航方式。

　　激光導航技術缺點：成本高，對環境要求較相對苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等）。激光導航設備價格高。激光導航設備適用于無遮擋環境。反光板成本高。

　　目前激光導航技術已經成為國內外AGV廠商的主流方案，由于其定位精度高、線路變更靈活、導航技術成熟等等因素導致激光導航已經普及。

　　4.電磁導航

　　電磁導航是較為傳統的導航方式之一，目前仍被采用，它是在AGV的行駛 路徑上埋設金屬線，并在金屬線加載導引頻率，通過對導引頻率的識別來實現AGV的導航功能。該導航技術類似于磁條導航，由于該導航技術美性不足、路徑變更困難等缺點，該技術方案逐漸被AGV廠商放棄，但是特定地場合也比較適合該導航技術，具體根據AGV工作環境要求。比如高溫環境下、線路平直性要求嚴格等要求。

　　電磁導航的優點：成本低、技術成熟可靠。導航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導航輔助設備。磁釘抗干擾強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等影響。使用用戶外、室內等等

　　電磁導航的缺點：需要額外設備產生電磁信號。需要其他傳感器實現站點定位功能。AGV電磁導航線路一次鋪設，后續修改線路必須執行二次作業，對比激光導航技術，電磁導航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導航施工會對地面進行一定的破壞功能，即在地面開槽，然后回填，對施工技術要求嚴格，才能恢復原地面美觀要求。

　　5.測距導航

　　該導航技術主要應用于激光二位掃描儀對其周圍環境進行掃描測量，獲取測量數據然后結合導航算法實現AGV導航。該導航傳感器通常使用具有安全功能的安全激光掃描儀實現，由于采用安全激光掃描儀可以實現安全功能的同時也能夠實現導航測量功能。采用測距導航技術的AGV可以實現進入集裝箱內部進行自動取貨送貨功能。

　　6.輪廓導航

　　輪廓導航是目前AGV最為先進的導航技術，該技術利用二維激光掃描儀對現場環境進行測量、學習，并繪制導航環境，然后進行多少測量學習，修正地圖進而實現輪廓導航功能。利用自然環境（墻壁、柱子以及其它固定物體）進行自由測距導航根據環境測量結果更新位置。輪廓導航優點：不需要反射器或其它人工地標；降低安裝成本；減少維護工作；激光導航替代方案

　　7.混合導航

　　混合導航是多種導航的集合體，該導航方式是根據現場環境的變化應運而生的。由于現場環境的變化導致某種導航暫時無法滿足要求，進而切換到另一種導航方式繼續滿足AGV連續運行。

　　8.光學導航

　　光學導航其實利用工業攝像機識別。該導航分為色帶跟蹤導航、二維碼識別等等功能。

　　9.二維碼導引

　　二維碼導引方式是通過離散鋪設QR二維碼，通過AGV車載攝像頭掃描解析二維碼獲取實時坐標。二維碼導引方式也是目前市面上最常見的AGV導引方式，二維碼導引+慣性導航的復合導航形式也被廣泛應用，亞馬遜的KIVA機器人就是通過這種導航方式實現自主移動的。這種方式相對靈活，鋪設和改變路徑也比較方便，缺點是二維碼易磨損，需定期維護。

　　適用場景：環境較好的倉庫

　　10.慣性導航

　　慣性導航是在AGV上安裝陀螺儀，利用陀螺儀可以獲取AGV的三軸角速度和加速度，通過積分運算對AGV進行導航定位，慣性導航優點是成本低，短時間內精度高，但這種導航方式缺點也特別明顯，陀螺儀本身隨著時間增長，誤差會累積增大，直到丟失位置，堪稱是“絕對硬傷”。使得慣性導航通常作為其他導航方式的輔助。如同上文所提到的二維碼導引+慣性導航的方式，就是在兩個二維碼之間的盲區使用慣性導航，通過二維碼時重新校正位置。

　　11.SLAM激光導航（自然導航）

　　SLAM激光導航則是一種無需使用反射板的自然導航方式，它不再需要通過輔助導航標志（二維碼、反射板等），而是通過工作場景中的自然環境，如：倉庫中的柱子、墻面等作為定位參照物以實現定位導航。相比于傳統的激光導航，它的優勢是制造成本較低。據小編了解，目前也有廠商（如：SICK）研發了適用于AGV室外作業的激光傳感器。

　　12.視覺導航

　　視覺導航也是基于SLAM算法的一種導航方式，這種導航方式是通過車載視覺攝像頭采集運行區域的圖像信息，通過圖像信息的處理來進行定位和導航。視覺導航具有高靈活性，適用范圍廣和成本低等優點，但是目前技術成熟度一般，利用車載視覺系統快速準確地實現路標識別這一技術仍處于瓶頸階段。

　　三、AGV導航方式比較

　　早期的AGV多是用磁帶或電磁導航，這兩種方案原理簡單、技術成熟，成本低，但是改變或擴展路徑及后期的維護比較麻煩，并且AGV只能按固定路線行走，無法實現智能避讓，或通過控制系統實時更改任務。

　　目前AGV主流的導航方式是二維碼+慣導，這種方式使用相對靈活，鋪設或改變路徑也比較容易，但路徑需要定期維護，如果場地復雜則要頻繁的更換二維碼，另外對陀螺儀的精度及使用壽命要求嚴格。

　　隨著SLAM算法的發展，SLAM成為了許多AGV廠家優先選擇的先進導航方式，SLAM方式無需其他定位設施，形式路徑靈活多變，能夠適應多種現場環境。相信隨著算法的成熟和硬件成本的壓縮，SLAM無疑會成為未來AGV主流的導航方式。

　　SLAM大概分為激光SLAM（2D或3D）和視覺SLAM兩大類。

　　視覺SLAM目前尚處于進一步研發和應用場景拓展階段。視覺SLAM因為信息量大，適用范圍廣等優點受到了廣泛關注，但是算法對處理器的要求較高，一般需要準桌面級的CPU甚至GPU，但是AGV用的多是嵌入式處理器，所以短時間很難在小型的AGV設備上大規模應用。

　　激光SLAM比視覺SLAM起步早，理論和技術都相對成熟，穩定性可靠性也得到了驗證，并且對于處理器的性能需求大大低于視覺SLAM，比如主流的激光SLAM可以在普通的ARM CPU上實時運行，目前有的AGV廠家已經推出了基于激光SLAM導航的產品。無疑在一段時間內激光SLAM還是主流的SLAM方案。

　　AGV導航導引技術一直朝著更高柔性、更高精度和更強適應性的方向發展，且對輔助導航標志的依賴性越來越低。像SLAM這種即時定位與地圖構建的自由路徑導航方式，無疑是未來的發展趨勢。相信不久的將來，5G、AI、云計算、IoT等技術與智能機器人的交互融合，將給AGV行業帶來翻天覆地的變化，而具有更高柔性、更高精度和更強適應性的SLAM導航方式也將更適應復雜、多變的動態作業環境。在多學科共同發展后，未來也一定會有更高端的AGV導航技術出現。