盘点 | 一文了解AGV机器人的12种导航导引方式

发布时间:2021-08-03 09:37:30 来源:精工智能 作者:admin

来源:智造苑


随着智能制造的发展,工厂智能化已成为必然趋势,无人搬运车(Automated Guided Vehicle,简称AGV)作为自动化运输搬运的重要工具,近年来的应用越来越广泛。很多制造和仓储物流都考虑使用AGV小车,但是对它不是特别了解,不知道选用那种类型的AGV产品,然后会担心AGV的种种问题。而导航导引技术作为AGV的核心技术之一,无疑是选择的关键,今天我们介绍下市场常见的多种不同导航方式AGV,让更多的使用者有一个简单的了解。


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一、AGV导航导引的关键技术


AGV的导航导引是指AGV根据路径偏移量来控制速度和转向角,从而保证AGV**行驶到目标点的位置及航向的过程。主要涉及三大技术要点:


1.定位


定位是确定AGV在工作环境中相对于全局坐标的位置及航向,是AGV导航导引的最基本环节。


2.环境感知与建模


为了实现AGV自主移动,需要根据多种传感器识别多种环境信息:如道路边界、地面情况、障碍物等。AGV通过环境感知确定前进方向中的可达区域和不可达区域,确定在环境中的相对位置,以及对动态障碍物运动进行预判,从而为局部路径规划提供依据。


3.路径规划


根据AGV掌握环境信息的程度不同,可分为两种类型:一个是基于环境信息已知的全局路径规划,另一个是基于传感器信息的局部路径规划,后者环境是未知或部分未知的,即障碍物的尺寸、形状和位置等信息必须通过传感器获取。


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二、常见的AGV导航导引方式


1.磁钉导航


该导航方式依然是通过磁导航传感器检测磁钉的磁信号来寻找行进路径,只是将原来采用磁条导航时对磁条进行连续感应变成间歇性感应,因此磁钉之间的距离不能够过大,且两磁钉间AGV处于一种距离计量的状态,在该状态下需要编码器计量所行走的距离。其次,磁钉导航所用控制模块与磁条导航控制模块相同。


磁钉导航的优点:成本低、技术成熟可靠。导航的隐秘性好、美观性强,也就是说磁钉预埋打孔填埋在地面下,整个工厂地面以上没有其他导航辅助设备。磁钉抗干扰强,抗磨损性强,抗酸碱、油污等影响。使用用户外、室内、下雨等等。


磁钉导航的缺点:AGV导航地面需满足技术要求,即AGV导航路线内不能有其他磁性物质存在;AGV导航线路不能有消磁、抗磁物质,影响AGV磁钉磁性。AGV磁钉导航线路一次铺设,后续修改线路必须执行二次作业,对比激光导航技术,磁钉导航对于后期修改线路增加成本和施工时间。AGV磁钉导航施工会对地面进行一定的破坏功能,即在地面开孔,然后回填,对施工技术要求严格,才能恢复原地面美观要求。


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2.磁条导航


磁条导航被认为是一项非常成熟的技术,主要通过测量路径上的磁场信号来获取车辆自身相对于目标跟踪路径之间的位置偏差,从而实现车辆的控制及导航。磁条导航具有很高的测量精度及良好的重复性,磁导航不易受光线变化等的影响,在运行过程中,磁传感系统具有很高的可靠性和鲁棒性。磁条一旦铺设好后,维护费用非常低,使用寿命长,且增设、变更路径较容易。


磁条导航的优点:现场施工简单。成本低、技术成熟可靠。对于声光无干扰性。AGV运行线路明显性。线路二次变更容易、变更成本低、变更周期短。对施工人员技术要求低


磁条导航的缺点:磁条易破损;由于地面铺设磁条,整体美观性下降。磁条不能连贯性,由于AGV转弯会碾压磁条,部分磁条会截断不铺设。磁条会吸引金属物质,导致AGV设备故障等等。需要其他传感器实现定位站点功能。


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3.激光导航


激光导航是在AGV行驶路径的周围安装激光反射板,AGV通过发射激光束,同时采集由反射板反射的激光束,来确定其当前的位置和方向,并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导航。


激光导航技术优点:AGV定位**。地面无需其他定位设施行驶路径可灵活多变,能够适合多种现场环境,它是目前国内外许多AGV生产厂家优先采用的先进导航方式。


激光导航技术缺点:成本高,对环境要求较相对苛刻(外界光线,地面要求,能见度要求等)。激光导航设备价格高。激光导航设备适用于无遮挡环境。反光板成本高。


目前激光导航技术已经成为国内外AGV厂商的主流方案,由于其定位精度高、线路变更灵活、导航技术成熟等等因素导致激光导航已经普及。


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4.电磁导航


电磁导航是较为传统的导航方式之一,目前仍被采用,它是在AGV的行驶 路径上埋设金属线,并在金属线加载导引频率,通过对导引频率的识别来实现AGV的导航功能。该导航技术类似于磁条导航,由于该导航技术美性不足、路径变更困难等缺点,该技术方案逐渐被AGV厂商放弃,但是特定的场合也比较适合该导航技术,具体根据AGV工作环境要求。比如高温环境下、线路平直性要求严格等要求。


电磁导航的优点:成本低、技术成熟可靠。导航的隐秘性好、美观性强,也就是说磁钉预埋打孔填埋在地面下,整个工厂地面以上没有其他导航辅助设备。磁钉抗干扰强,抗磨损性强,抗酸碱、油污等影响。使用用户外、室内等等


电磁导航的缺点:需要额外设备产生电磁信号。需要其他传感器实现站点定位功能。AGV电磁导航线路一次铺设,后续修改线路必须执行二次作业,对比激光导航技术,电磁导航对于后期修改线路增加成本和施工时间。AGV磁钉导航施工会对地面进行一定的破坏功能,即在地面开槽,然后回填,对施工技术要求严格,才能恢复原地面美观要求。


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5.测距导航


该导航技术主要应用于激光二位扫描仪对其周围环境进行扫描测量,获取测量数据然后结合导航算法实现AGV导航。该导航传感器通常使用具有安全功能的安全激光扫描仪实现,由于采用安全激光扫描仪可以实现安全功能的同时也能够实现导航测量功能。采用测距导航技术的AGV可以实现进入集装箱内部进行自动取货送货功能。


6.轮廓导航


轮廓导航是目前AGV最为先进的导航技术,该技术利用二维激光扫描仪对现场环境进行测量、学习,并绘制导航环境,然后进行多少测量学习,修正地图进而实现轮廓导航功能。利用自然环境(墙壁、柱子以及其它固定物体)进行自由测距导航根据环境测量结果更新位置。轮廓导航优点:不需要反射器或其它人工地标;降低安装成本;减少维护工作;激光导航替代方案


7.混合导航


混合导航是多种导航的集合体,该导航方式是根据现场环境的变化应运而生的。由于现场环境的变化导致某种导航暂时无法满足要求,进而切换到另一种导航方式继续满足AGV连续运行。


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8.光学导航


光学导航其实利用工业摄像机识别。该导航分为色带跟踪导航、二维码识别等等功能。


9.二维码导引


二维码导引方式是通过离散铺设QR二维码,通过AGV车载摄像头扫描解析二维码获取实时坐标。二维码导引方式也是目前市面上最常见的AGV导引方式,二维码导引+惯性导航的复合导航形式也被广泛应用,亚马逊的KIVA机器人就是通过这种导航方式实现自主移动的。这种方式相对灵活,铺设和改变路径也比较方便,缺点是二维码易磨损,需定期维护。


适用场景:环境较好的仓库


10.惯性导航


惯性导航是在AGV上安装陀螺仪,利用陀螺仪可以获取AGV的三轴角速度和加速度,通过积分运算对AGV进行导航定位,惯性导航优点是成本低,短时间内精度高,但这种导航方式缺点也特别明显,陀螺仪本身随着时间增长,误差会累积增大,直到丢失位置,堪称是“绝对硬伤”。使得惯性导航通常作为其他导航方式的辅助。如同上文所提到的二维码导引+惯性导航的方式,就是在两个二维码之间的盲区使用惯性导航,通过二维码时重新校正位置。


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11.SLAM激光导航(自然导航)


SLAM激光导航则是一种无需使用反射板的自然导航方式,它不再需要通过辅助导航标志(二维码、反射板等),而是通过工作场景中的自然环境,如:仓库中的柱子、墙面等作为定位参照物以实现定位导航。相比于传统的激光导航,它的优势是制造成本较低。据小编了解,目前也有厂商(如:SICK)研发了适用于AGV室外作业的激光传感器。


12.视觉导航


视觉导航也是基于SLAM算法的一种导航方式,这种导航方式是通过车载视觉摄像头采集运行区域的图像信息,通过图像信息的处理来进行定位和导航。视觉导航具有高灵活性,适用范围广和成本低等优点,但是目前技术成熟度一般,利用车载视觉系统快速准确地实现路标识别这一技术仍处于瓶颈阶段。


三、AGV导航方式比较


早期的AGV多是用磁带或电磁导航,这两种方案原理简单、技术成熟,成本低,但是改变或扩展路径及后期的维护比较麻烦,并且AGV只能按固定路线行走,无法实现智能避让,或通过控制系统实时更改任务。


目前AGV主流的导航方式是二维码+惯导,这种方式使用相对灵活,铺设或改变路径也比较容易,但路径需要定期维护,如果场地复杂则要频繁的更换二维码,另外对陀螺仪的精度及使用寿命要求严格。


随着SLAM算法的发展,SLAM成为了许多AGV厂家优先选择的先进导航方式,SLAM方式无需其他定位设施,形式路径灵活多变,能够适应多种现场环境。相信随着算法的成熟和硬件成本的压缩,SLAM无疑会成为未来AGV主流的导航方式。


SLAM大概分为激光SLAM(2D或3D)和视觉SLAM两大类。


视觉SLAM目前尚处于进一步研发和应用场景拓展阶段。视觉SLAM因为信息量大,适用范围广等优点受到了广泛关注,但是算法对处理器的要求较高,一般需要准桌面级的CPU甚至GPU,但是AGV用的多是嵌入式处理器,所以短时间很难在小型的AGV设备上大规模应用。


激光SLAM比视觉SLAM起步早,理论和技术都相对成熟,稳定性可靠性也得到了验证,并且对于处理器的性能需求大大低于视觉SLAM,比如主流的激光SLAM可以在普通的ARM CPU上实时运行,目前有的AGV厂家已经推出了基于激光SLAM导航的产品。无疑在一段时间内激光SLAM还是主流的SLAM方案。


AGV导航导引技术一直朝着更高柔性、更高精度和更强适应性的方向发展,且对辅助导航标志的依赖性越来越低。像SLAM这种即时定位与地图构建的自由路径导航方式,无疑是未来的发展趋势。相信不久的将来,5G、AI、云计算、IoT等技术与智能机器人的交互融合,将给AGV行业带来翻天覆地的变化,而具有更高柔性、更高精度和更强适应性的SLAM导航方式也将更适应复杂、多变的动态作业环境。在多学科共同发展后,未来也一定会有更高端的AGV导航技术出现。


来源:智造苑


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