牵引式AGV设计资料(「原创」AGV导航技术浅谈)

Posted 2023-06-02

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牵引式AGV设计资料(「原创」AGV导航技术浅谈)

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作者 | 李波

编辑 | 李波

图片来源 | 网络

AGV（Automated Guided Vehicle）即所熟知的自动导引搬运车。它是一种带有自动导引设备，并且能够沿规定路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输设备，广泛应用于物流行业各场景。

导航作为一项核心技术，是赋予AGV感知和行动能力的关键。AGV技术的发展，实际上就是导航导引方式的演进史。本文将对AGV导航的历史发展、现阶段状况、客户选用原则进行简要分析，以使大众及物流业初入行者对AGV有所了解。

一、过往历史

物流搬运机器人在低调探索和持续耕耘中前行。如何实现仓储移动机器人在不确定环境中自主定位导航一直都是机器人研究的一大核心课题。

1913年美国福特汽车公司将自动搬运车用到汽车底盘装配上，当时的无人搬运车是有轨道导引的（现在称为RGV）。

1953年第一台 AGV 问世，AGV就被定义为在工业物流领域解决无人搬运运输问题的车辆，早期主要被应用在生产制造领域。丰田、大众等全球主要汽车厂都在制造和装配线上广泛使用AGV，当时采用地板下埋线取代地面上的导引轨道，组成以电磁感应引导的AGVS

1959年，AGV应用到仓储自动化上。计算机技术进步，AGV得到迅速发展，1973年瑞典VOLVO公司在KALMAR轿车厂的装配线上采用了88台AGV，使用计算机控制轿车的整个装配作业。

1990年，瑞典开发了AGV激光导航系统。1991年，荷兰开始使用磁体网络导航技术。2000年，比利时使用激光导引与惯性复合、激光测角与测距相结合的导引控制技术。

国内的AGV研究起步较晚，1976年北京起重机械研究所研制了我国第一台AGV。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮政枢纽AGV。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。

随着电商的兴起，物流业的发展，我国AGV研发与制造取得了长足发展，海柔创新、新松、快仓、极智嘉等新兵老将争相入局，目前，据不完全统计，中国共出现了50余家仓储AGV企业。

在AGV历史发展中，AGV导航方式主要以电磁导航、磁带导航为主。经过多年的发展，AGV的导航方式取发展和进步，导航方式从最初的有轨导航到无轨导航，对特定标志物的依赖逐渐较少，对环境适应性逐渐增强，导航的精度和可靠性不断得到提高。

在传统AGV的基础上，伴随着技术的发展，新的概念被提出——AMR（自主移动机器人），与传统AGV的自动导引相比，AMR更强调机器人的自主性和灵活性。

AMR全称为autonomous mobile robots（自主移动机器人）。尽管都以字母“A”开头，但AGV是“自动牵引”、AMR是“自主移动”，可见两者有着本质区别。

但有的专业人士认为，从使用角度来说，AMR与AGV的关系并非升级换代的关系，而是场景互补的关系。关于AMR的导航技术，将在下篇文章里进行论述。

可以说AGV技术发展就是导航导引方式的演进史。因此，要了解AGV技术，应从了解导航技术开始。

二、两大方向

导航，就是能让AGV“知道”在哪里。那么，你知道AGV有那几种导航方式？

目前已经得到成熟应用AGV导航，大概来说，可分为磁导航与光导航两种，磁导航有电磁导引、磁带导引、磁钉导引等，光导航有色带导引、激光导航等。

有人将市场上较常见的导航方式从技术角度分为三代，第一代是磁导航，第二代是二维码导航，第三代则是基于激光与视觉的SLAM算法导航。其实磁导航有自已的优势，激光导航也有自已的缺陷，拟乎不应以“代”来划分。

导航的功能，一是引导，一是定位，下面分项阐述：

1、先说磁导航类

磁带导航

AGV通过磁感应导航传感器检测地面上铺设的磁性引导带，进而获取磁感应传感器与磁性引导带的相对一维坐标信号，将该坐标信号传送给AGV控制器，AGV控制器根据信号状态控制AGV轮舵跟随磁性导引带。

优点为技术成熟可靠，成本较低，磁带的铺设较为容易，运行线路明显，对于声光无干扰，具有高测量精度和重复性好。

缺点是磁条易破损，易吸引金属物质，导致AGV设备故障，需要人员定期维护。

磁钉导航

与磁带导航大同小异，只不过磁带变成了磁钉，差异就是磁条是连续铺设的，磁钉是离散铺设的。以磁导航传感器检测磁钉的磁信号确定路径。

优点是成本低、技术成熟可靠，导航的隐秘性好、美观性强，磁钉抗干扰强，抗磨损性强，抗酸碱、油污等影响。

缺点是AGV路径易受铁磁物质影响，更改路径施工量大，磁钉的施工会对地面产生一定影响。

电磁导航

与磁条导引原理较为相近，把金属线设置在AGV的行驶路径上，在金属线上加载低频、低压电流，产生磁场，通过车载电磁传感器通过对导引磁场强弱的识别和跟踪实现导航。

优点为金属线埋在地下，隐蔽性强，不易受到破环，导引原理简单可靠，对声光无干扰，制造成本低。

缺点是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，金属线的铺设麻烦，且更改和拓展路径困难。

2、再说光导航

激光导航

在周围安装激光反射板，AGV行驶时通过发射激光束，确定其当前位置和方向，并通过连续的三角几何运算，实现AGV的导航。

优点是定位精度高、线路变更灵活、导航技术成熟等，激光导航技术已成为国内外AGV厂商主流方案。

缺点是成本高，对环境要求非常苛刻，如外界光线、地面、能见度等。

自然导航

自然导航，也是激光导航的一种，也是通过激光传感器感知周围环境，不同的是激光导航（反射板）的定位标志为反射板或反光柱，而自然导航定位标志物可以为工作环境中的墙面等信息，不需要依赖反射板。

优点是相比于传统的激光导航，自然导航的施工成本与周期都较低。

缺点是对环境轮廓依赖比较大，当行驶路径上的轮廓信息出现较大变化时就会出现精度降低的现象。

色带导航

在自动导引车的形式路径上设置光学标志（粘贴色带或涂漆），通过车载的光学传感器采集图像信号识别来实现导引。

优点是路面铺设较为容易，拓展与更改路径相对磁带导引容易，成本低

缺点是色带较为容易受到污染和破环，对环境的要求高，导引的可靠性受制于地面条件，停止定位精度较低。

3、另外还有

二维码导航

AGV车载摄像头扫描解析离散铺设QR二维码，获取实时坐标。二维码导引与磁钉导引较为相似，只是坐标标志物不同，通常与惯性导航相结合，实现精准定位。

优点是移动机器人的单机成本较低，缺点是项目现场需要铺设大量二维码，且二维码易磨损，维护成本较高。

惯性导航

利用光电编码器、陀螺仪获取AGV三轴角速度和加速度，通过积分运算进行导航定位。

优点是成本低，短时间定位精度较高，缺点是编码器、陀螺仪随时间增长，误差会累积增大，直到丢失位置。

复合导航

根据现场环境变化，采用多种导航集合体，满足AGV连续运行。如二维码导航与惯性导航的组合，利用惯性导航短距离定位精度高的特性，将两个二维码之间的导航盲区使用惯性导航。激光导航与磁钉导航组合应用，在定位精度要求较高的站台位置使用磁钉导航，增加AGV定位的稳定性。

GPS导航

通过车载GPS传感器获取位置和航向信息来实现导航的方法。听起来高大上，但在物流场景下，并不适应，主要原因是导航精度差。位置误差在10米左右

值得注意的是，视觉slam成AGV导航新趋势，但似乎应归入AMR(自主移动机器人)类，将在下篇文章中阐述。近年来，拥有视觉导航技术的移动机器人公司热度普遍较高，视觉导航也被认为是智能仓储柔性化物流变革的必然趋势。

三、合适就好

面对这么多的导航导引方式，很多采用者便会疑惑，在决定使用AGV时，究竟该选择何种导航方式。

从使用者角度来说，导航技术没有高低之分，只有合适不合适之分。原则是根据实际的场景因地制宜选导航，适合自己的就是最好的选择。

AGV导航方式的发展有先有后，都有各自的缺点和优势，需要根据实际的应用场景，结合各种导航技术的特点，兼顾技术成熟度及性价比选择最适合的产品。总之一句话，需要在效率、精度、智能化程度、安全性四者之间的平衡作决策。

成熟度是一个重要的应用指标，物流搬运机器人显然需要更多时间和项目的打磨，产品成熟稳定对应用十分重要，成熟度还包括非常稳定的供应链体系，非常稳定的服务交付体系。

以下根据过去的应用实例与经验，谈一下各种导航技术的适合场景。

亚洲客户普遍非常重视仓库的有效使用面积，二维码、轨道等导航指引，以及其固定的移动轨迹，都不利于仓储面积利用率的提升。

磁带或电磁导航是早期AGV导航导引方式，电磁导航的施工复杂、成本高，但电磁导航在恶劣环境（高温、酸碱环境）下具有更高的适应性，电磁导引在路线较为简单，需要24小时连续作业的生产制造（如汽车制造）有比较广泛的应用。

目前工业应用中以磁条导航应用比较普遍。磁条导引适用于地面嵌入型、轻载牵引的状态方式，可用于非金属地面、非消磁的室内环境，能够稳定持久作业。

二维码导航目前在市场上十分火热，主要原因是亚马逊高价收购了KIVA二维码导航机器人，其类似棋盘的工作模式令人印象深刻，国内的电商，智能仓库纷纷采用二维码导航机器人。二维码此种方式是目前市面上最常见的AGV导引方式，适用于环境较好的仓库。

目前，二维码+惯性导航成为AGV主流的导航方式，使用相对灵活，容易铺设或改变路径，但路径需要定期维护，且场地复杂则要频繁的更换二维码，对陀螺仪的精度及使用寿命要求也严格。

色带导引适合在工作环境洁净，地面平整性好，AGV定位精度要求不高的场合。

激光导航由于成本较高，在目前AGV市场上占用率不是很高，但由于其优越性，将会逐渐取代一些传统的导航导引方式。

复合导航适应各种常见应用场景，也将越来越广泛应用在各种AGV上，未来，融合导航是发展趋势。

经过数年的验证，大家发现，AGV的灵活程度似乎无法适应电商业务量的脉冲式波动——因为仓库中每增加一台AGV，都必须对环境做出重新布置。重度的前期投入和后期叠加成本使得其回本周期遭受考验。

随SLAM算法的发展，AMR在崛起，它无需其他定位设施，路径可灵活多变，适应多种现场环境，将成为未来主流的导航方式。