干貨！一文了解AGV機器人的12種導(dǎo)航導(dǎo)引方式

隨著智能制造的發(fā)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(yīng)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(chǎn)品，然后會擔心AGV的種種問題。而導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)作為AGV的核心技術(shù)之一，無疑是選擇的關(guān)鍵，今天我們介紹下市場常見的多種不同導(dǎo)航方式AGV，讓更多的使用者有一個簡單的了解。

一、AGV導(dǎo)航導(dǎo)引的關(guān)鍵技術(shù)

AGV的導(dǎo)航導(dǎo)引是指AGV根據(jù)路徑偏移量來控制速度和轉(zhuǎn)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(shù)要點：

1.定位

定位是確定AGV在工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置及航向，是AGV導(dǎo)航導(dǎo)引的最基本環(huán)節(jié)。

2.環(huán)境感知與建模

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

3.路徑規(guī)劃

根據(jù)AGV掌握環(huán)境信息的程度不同，可分為兩種類型：一個是基于環(huán)境信息已知的全局路徑規(guī)劃，另一個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傳感器獲取。

二、常見的AGV導(dǎo)航導(dǎo)引方式

1.磁釘導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式依然是通過磁導(dǎo)航傳感器檢測磁釘?shù)拇判盘杹韺ふ倚羞M路徑，只是將原來采用磁條導(dǎo)航時對磁條進行連續(xù)感應(yīng)變成間歇性感應(yīng)，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(tài)，在該狀態(tài)下需要編碼器計量所行走的距離。其次，磁釘導(dǎo)航所用控制模塊與磁條導(dǎo)航控制模塊相同。

磁釘導(dǎo)航的優(yōu)點：成本低、技術(shù)成熟可靠。導(dǎo)航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預(yù)埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導(dǎo)航輔助設(shè)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(nèi)、下雨等等。

磁釘導(dǎo)航的缺點：AGV導(dǎo)航地面需滿足技術(shù)要求，即AGV導(dǎo)航路線內(nèi)不能有其他磁性物質(zhì)存在；AGV導(dǎo)航線路不能有消磁、抗磁物質(zhì)，影響AGV磁釘磁性。AGV磁釘導(dǎo)航線路一次鋪設(shè)，后續(xù)修改線路必須執(zhí)行二次作業(yè)，對比激光導(dǎo)航技術(shù)，磁釘導(dǎo)航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導(dǎo)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(shù)要求嚴格，才能恢復(fù)原地面美觀要求。

2.磁條導(dǎo)航

磁條導(dǎo)航被認為是一項非常成熟的技術(shù)，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(xiàn)車輛的控制及導(dǎo)航。磁條導(dǎo)航具有很高的測量精度及良好的重復(fù)性，磁導(dǎo)航不易受光線變化等的影響，在運行過程中，磁傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和魯棒性。磁條一旦鋪設(shè)好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設(shè)、變更路徑較容易。

磁條導(dǎo)航的優(yōu)點：現(xiàn)場施工簡單。成本低、技術(shù)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(shù)要求低

磁條導(dǎo)航的缺點：磁條易破損；由于地面鋪設(shè)磁條，整體美觀性下降。磁條不能連貫性，由于AGV轉(zhuǎn)彎會碾壓磁條，部分磁條會截斷不鋪設(shè)。磁條會吸引金屬物質(zhì)，導(dǎo)致AGV設(shè)備故障等等。需要其他傳感器實現(xiàn)定位站點功能。

3.激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航是在AGV行駛路徑的周圍安裝激光反射板，AGV通過發(fā)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(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導(dǎo)航。

激光導(dǎo)航技術(shù)優(yōu)點：AGV定位精確。地面無需其他定位設(shè)施行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國內(nèi)外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進導(dǎo)航方式。

激光導(dǎo)航技術(shù)缺點：成本高，對環(huán)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(dǎo)航設(shè)備價格高。激光導(dǎo)航設(shè)備適用于無遮擋環(huán)境。反光板成本高。

目前激光導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外AGV廠商的主流方案，由于其定位精度高、線路變更靈活、導(dǎo)航技術(shù)成熟等等因素導(dǎo)致激光導(dǎo)航已經(jīng)普及。

4.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，通過對導(dǎo)引頻率的識別來實現(xiàn)AGV的導(dǎo)航功能。該導(dǎo)航技術(shù)類似于磁條導(dǎo)航，由于該導(dǎo)航技術(shù)美性不足、路徑變更困難等缺點，該技術(shù)方案逐漸被AGV廠商放棄，但是特定地場合也比較適合該導(dǎo)航技術(shù)，具體根據(jù)AGV工作環(huán)境要求。比如高溫環(huán)境下、線路平直性要求嚴格等要求。

電磁導(dǎo)航的優(yōu)點：成本低、技術(shù)成熟可靠。導(dǎo)航的隱秘性好、美觀性強，也就是說磁釘預(yù)埋打孔填埋在地面下，整個工廠地面以上沒有其他導(dǎo)航輔助設(shè)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(nèi)等等

電磁導(dǎo)航的缺點：需要額外設(shè)備產(chǎn)生電磁信號。需要其他傳感器實現(xiàn)站點定位功能。AGV電磁導(dǎo)航線路一次鋪設(shè)，后續(xù)修改線路必須執(zhí)行二次作業(yè)，對比激光導(dǎo)航技術(shù)，電磁導(dǎo)航對于后期修改線路增加成本和施工時間。AGV磁釘導(dǎo)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(shù)要求嚴格，才能恢復(fù)原地面美觀要求。

5.測距導(dǎo)航

該導(dǎo)航技術(shù)主要應(yīng)用于激光二位掃描儀對其周圍環(huán)境進行掃描測量，獲取測量數(shù)據(jù)然后結(jié)合導(dǎo)航算法實現(xiàn)AGV導(dǎo)航。該導(dǎo)航傳感器通常使用具有安全功能的安全激光掃描儀實現(xiàn)，由于采用安全激光掃描儀可以實現(xiàn)安全功能的同時也能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航測量功能。采用測距導(dǎo)航技術(shù)的AGV可以實現(xiàn)進入集裝箱內(nèi)部進行自動取貨送貨功能。

6.輪廓導(dǎo)航

輪廓導(dǎo)航是目前AGV最為先進的導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)利用二維激光掃描儀對現(xiàn)場環(huán)境進行測量、學(xué)習，并繪制導(dǎo)航環(huán)境，然后進行多少測量學(xué)習，修正地圖進而實現(xiàn)輪廓導(dǎo)航功能。利用自然環(huán)境（墻壁、柱子以及其它固定物體）進行自由測距導(dǎo)航根據(jù)環(huán)境測量結(jié)果更新位置。輪廓導(dǎo)航優(yōu)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(dǎo)航替代方案

7.混合導(dǎo)航

混合導(dǎo)航是多種導(dǎo)航的集合體，該導(dǎo)航方式是根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的變化應(yīng)運而生的。由于現(xiàn)場環(huán)境的變化導(dǎo)致某種導(dǎo)航暫時無法滿足要求，進而切換到另一種導(dǎo)航方式繼續(xù)滿足AGV連續(xù)運行。

8.光學(xué)導(dǎo)航

光學(xué)導(dǎo)航其實利用工業(yè)攝像機識別。該導(dǎo)航分為色帶跟蹤導(dǎo)航、二維碼識別等等功能。

9.二維碼導(dǎo)引

二維碼導(dǎo)引方式是通過離散鋪設(shè)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(dǎo)引方式也是目前市面上最常見的AGV導(dǎo)引方式，二維碼導(dǎo)引+慣性導(dǎo)航的復(fù)合導(dǎo)航形式也被廣泛應(yīng)用，亞馬遜的KIVA機器人就是通過這種導(dǎo)航方式實現(xiàn)自主移動的。這種方式相對靈活，鋪設(shè)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(huán)境較好的倉庫

10.慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)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(dǎo)航定位，慣性導(dǎo)航優(yōu)點是成本低，短時間內(nèi)精度高，但這種導(dǎo)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(dǎo)航通常作為其他導(dǎo)航方式的輔助。如同上文所提到的二維碼導(dǎo)引+慣性導(dǎo)航的方式，就是在兩個二維碼之間的盲區(qū)使用慣性導(dǎo)航，通過二維碼時重新校正位置。

11.SLAM激光導(dǎo)航（自然導(dǎo)航）

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

12.視覺導(dǎo)航

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

三、AGV導(dǎo)航方式比較

早期的AGV多是用磁帶或電磁導(dǎo)航，這兩種方案原理簡單、技術(shù)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(xiàn)智能避讓，或通過控制系統(tǒng)實時更改任務(wù)。

目前AGV主流的導(dǎo)航方式是二維碼+慣導(dǎo)，這種方式使用相對靈活，鋪設(shè)或改變路徑也比較容易，但路徑需要定期維護，如果場地復(fù)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(fā)展，SLAM成為了許多AGV廠家優(yōu)先選擇的先進導(dǎo)航方式，SLAM方式無需其他定位設(shè)施，形式路徑靈活多變，能夠適應(yīng)多種現(xiàn)場環(huán)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(dǎo)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(fā)和應(yīng)用場景拓展階段。視覺SLAM因為信息量大，適用范圍廣等優(yōu)點受到了廣泛關(guān)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(shè)備上大規(guī)模應(yīng)用。

激光SLAM比視覺SLAM起步早，理論和技術(shù)都相對成熟，穩(wěn)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(jīng)推出了基于激光SLAM導(dǎo)航的產(chǎn)品。無疑在一段時間內(nèi)激光SLAM還是主流的SLAM方案。

AGV導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)一直朝著更高柔性、更高精度和更強適應(yīng)性的方向發(fā)展，且對輔助導(dǎo)航標志的依賴性越來越低。像SLAM這種即時定位與地圖構(gòu)建的自由路徑導(dǎo)航方式，無疑是未來的發(fā)展趨勢。相信不久的將來，5G、AI、云計算、IoT等技術(shù)與智能機器人的交互融合，將給AGV行業(yè)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(yīng)性的SLAM導(dǎo)航方式也將更適應(yīng)復(fù)雜、多變的動態(tài)作業(yè)環(huán)境。在多學(xué)科共同發(fā)展后，未來也一定會有更高端的AGV導(dǎo)航技術(shù)出現(xiàn)。

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