AGV導航技術的創新路徑

文/本刊記者 張穎川

作為AGV的關鍵技術之一，近年來導航技術的發展引起業界的高度重視。相關企業也在積極推動AGV導航技術的創新，以適應不斷變化發展的市場需要。本文在總結分析當前AGV導航的關鍵技術、主流導航方式以及關鍵技術創新的基礎上，對AGV導航技術的發展趨勢進行了展望，希望對行業發展有所裨益。

AGV（Automated Guided Vehicle，自動導向車），因具有良好的柔性和較高的可靠性，能夠減少工廠和倉庫對勞動力的需求，且安裝容易、維護方便，近年來得到越來越廣泛的應用。

特別是隨著《中國制造2025》戰略的全面推進，以及電子商務的迅猛發展，企業對高效、靈活、節能的自動化物流系統的需求越來越強烈，對AGV技術也提出了更高的要求。作為AGV的關鍵技術之一，導航技術的發展引起業界的高度重視。相關企業也在積極推動AGV導航技術的創新，以適應不斷變化發展的市場需要。

AGV導航關鍵技術

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，叫做“導航”。AGV導航主要涉及三大技術要點：

1．定位

定位是確定移動機器人在運行環境中相對于全局坐標的位置及航向，是AGV導航的最基本環節。目前AGV定位方法分為:

（1）衛星定位。它是一種以空間衛星為基礎的高精度導航與定位系統。GPS定位系統用于AGV定位時存在近距離定位精度低等問題。

（2）慣性定位。通過對固聯在載體上的三軸加速度計、三軸陀螺儀進行積分，獲得載體實時、連續的位置、速度、姿態等信息。但慣性誤差經過積分之后都會產生無限的累積，因此純慣性導航不適合長時間的精確定位。

（3）電子地圖匹配定位。利用圖像處理技術，將實時獲取的環境圖像與基準圖進行匹配，從而確定載體當前的位置，匹配的特征可以為設定的路標、特定的景象或是道路曲率。電子地圖匹配特別適用于對機器人系統長時間的定位誤差進行校準。

以上定位方式中，慣性定位為相對定位方式，可以獲得連續的位置、姿態信息，但存在累積誤差；衛星定位、電子地圖匹配等定位方式為絕對定位，可以獲得精確的位置信息，但難以獲得連續姿態信息。相對定位與絕對定位方式存在較強的互補性，通常采用將兩者結合的組合定位方法。

2.環境感知與建模

為了實現AGV自主導航，需要根據多種傳感器識別多種環境信息：如道路邊界、地形特征、障礙、引導者等。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。

目前，多傳感器信息融合技術已經被應用于AGV導航系統中，其所起的作用關系著機器人的智能化水平。這種技術的核心在于可以有效地對多傳感器收集到的信息進行處理和融合，提高AGV自身對于不確定信息的抵抗能力，確保有更多可靠的信息被利用，有助于AGV更為直觀地判斷出周圍的環境。

3．路徑規劃

路徑規劃是導航的一個重要環節。AGV根據環境的變化，對環境信息進行收集和分析，按照某一性能進行搜索，進而找出從起點到目標點的最優無碰撞路徑或次優無碰撞路徑；能夠處理環境模型中的不確定因素和路徑跟蹤中出現的誤差，使外界對機器人的影響降到最小；利用已知信息來引導AGV動作，從而得到相對更優的行為策略。

新松基于激光SLAM導航技術的“移動搬運平臺”

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。

主流導航方式及其特點

AGV從出現至今，已經衍生出了多種導航方式，每種導航方式均有自己的獨特之處和用武之地。目前AGV主流的導航方式有以下幾種：

1.磁條導航

磁條導航是一項非常成熟的技術，主要是通過在路面上鋪設磁條，通過磁導航傳感器不間斷地感應磁條產生的磁信號實現導航，通過讀取預先埋設的RFID卡來完成指定任務。磁條導航現場施工簡單，成本低，對于聲光無干擾性，AGV運行線路明顯，線路二次變更容易、變更周期短，對施工人員技術要求低。但此導航方式靈活性差，AGV只能沿磁條行走，更改路徑需重新鋪設磁條，且磁條容易損壞，后期維護成本較高。

2.電磁導航

電磁導航是較為傳統的導航方式之一，目前仍被許多系統采用。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的導引。其主要優點是引線隱蔽，不易污染和破損，導航原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無干擾，制造成本較低。缺點是路徑難以更改擴展，對復雜路徑的局限性較大。

3.光學導航

光學導航是在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對攝像機采入的色帶圖像信號進行簡單處理而實現自動導引。該導航方式分為色帶跟蹤導航、二維碼識別等功能。光學導航技術成熟，應用也較為廣泛。目前，亞馬遜應用的KIVA機器人就是利用光學導航實現的。該導航方式靈活性比較好，地面路線設置簡單易行，但對色帶的污染和機械磨損十分敏感，對環境要求過高，導引可靠性較差，精度較低。

4.激光導航

激光導航是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器發射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當前的位置和航向，并通過連續的三角幾何運算來實現AGV的導引。

此項技術最大的優點是，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。缺點是制造成本高，對環境要求比較苛刻（外界光線、地面要求、能見度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）應用。

5.視覺導航

視覺導航是在AGV上安裝CCD攝像機，AGV在行駛過程中通過視覺傳感器采集圖像信息，并通過對圖像信息的處理確定AGV的當前位置。

視覺導航方式具有路線設置靈活、適用范圍廣、成本低等優點。但是，由于利用車載視覺系統快速準確地實現路標識別這一技術瓶頸尚未得到突破，因此，目前該方法尚未進入實用階段。

6.慣性導航

慣性導航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號（角速率）的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和航向，從而實現導引。

此項技術在軍方較早運用，其主要優點是技術先進，定位精準，地面處理工作量小，路徑靈活性強。其缺點是制造成本較高，導引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續信號處理密切相關。

7.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，然后進行測量學習，修正地圖進而實現自動導航功能。輪廓導航利用自然環境（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。該導航技術的優點是，不需要反射器或其它人工地標，能夠降低安裝成本，減少維護工作。

導航技術的創新與應用

當前的AGV市場可以說是百花爭艷，同質化競爭嚴重。面對激烈的市場競爭以及電商、制造等行業對智慧物流更強烈的市場需求，一些物流系統集成商、新興物流機器人企業等在AGV導航技術領域不斷發力，尋求創新突破。比較典型的技術創新包括SLAM導航、慣性+視覺導航、無反射板激光導航等。

1.SLAM導航

SLAM（SimultaneousLocalizatio nandMapping）導航，表示在不具備周圍環境先驗信息的前提下，讓AGV在運動過程中根據自身攜帶的傳感器和對周圍環境的感知進行自身定位，同時增量式構建環境地圖。SLAM方法可以提高AGV的自主能力和環境適應能力，使AGV可以在未知的環境中進行自主定位和導航。SLAM導航可以不需要預先鋪設任何軌跡，方便導航路線的更改，并實現實時避障，有助于實現多AGV的協調控制。

在2017Ce MAT Asia展會上,SLAM導航AGV引起大家的高度關注。如新松機器人公司最新研發的“移動搬運平臺”，便是采用先進的激光SLAM技術，導航精度高，可在高度動態環境下提供迅速的、可追蹤的輸送流程，進行智能化的自動導航，躲避障礙和選擇最佳路徑完成任務。艾瑞思機器人參展的SLAM導航移動機器人，可以依靠自身傳感器在未知環境中獲得感知信息，實時地創建周圍環境的地圖；同時，可利用創建的地圖實現自主定位，還可以主動避開障礙物。

2.慣性+視覺導航

當前，復合導航是AGV導航的主要創新方向，其中慣性+視覺導航最為主流。該組合導航技術通過CCD傳感器感知環境，由計算機對圖像進行處理分析，獲取載體的位置和姿態等導航信息，進而修正慣性誤差。一方面，視覺導航為慣性導航提供誤差補償信息，彌補了慣性誤差隨時間漂移的不足；另一方面，慣性導航憑借系統數據更新率高、不受光照等環境影響、短時定位精度高的優勢，彌補了視覺導航處理實時性不足的缺陷。

如海康機器人公司自主研發的阡陌倉儲機器人，采用二維碼視覺導航+慣性導航雙導航技術，實現自主定位，定位精度誤差小于5mm，穩定高效，可智能協調作業，大幅提升運維及管理效率。歐鎧公司最新研制的小精靈機器人是一款專門針對工廠內簡單輕型的物料搬運的產品。它采用慣性+二維碼視覺導航，不僅小巧靈活，而且精度高、速度快，集自動躲避障礙物、自由規劃路線、姿態保持等強大功能于一身，大大提高倉庫作業效率。

3.無反射板激光自主導航

無反射板激光自主導航技術是艾吉威機器人自主研發的，獲得國家發明專利。該導航技術無需安裝反射板即可實現激光導航AGV小車的定位和避障，其特征在于：無需輔助導航標志，快速自建地圖，柔性程度高，可適應布局變動；維護成本低，可遠程診斷；可與WMS、MES信息交互，實現庫位管理；RFID、二維碼自動選配識別托盤和貨物，數據庫管理；安全，人機可交互，兼容叉車手柄功能，配置高端機器人叉車功能。

無反射板激光自主導航叉車AGV的應用模式比較全面，可以與自動化倉庫系統配套使用，也可以用在工業生產線上的物流裝配與物料周轉。另外艾吉威還在不斷開發新的應用領域及應用模式，例如輥筒叉車集成應用。目前，艾吉威無反射板激光自主導航叉車應用在汽車、家電、電子、電力、新能源等行業，且已出口海外。

4.其他技術創新

一些專注于AGV導航技術研發的企業也在積極推動AGV導航技術的創新。如蘇州坤厚自動化科技有限公司，主要提供移動機器人定位導航模塊KHNaviKit和基于該技術的無人叉車AGV智能物流系統。該公司獨立開發的基于異構系統架構的機器人核心算法處理器可以提供穩定可靠的定位數據，使之成為AGV理想的定位導航解決方案。

綜合來看，目前的AGV導航技術復雜多樣，不同的場合應選用不同的導航技術，如：在有叉車行駛的場合，不宜選用磁條導航；路徑需要經常變換的場合，應考慮激光導航；露天環境，考慮到氣候因素，不宜采用激光導航；在環境惡劣的倉庫，適宜使用磁釘和RFID導航；在環境比較好的場景，適宜使用二維碼導航。

云南昆船智能裝備有限公司總經理楊文華對此表示，隨著市場需求的不斷變化，未來還將有更多的導航技術出現。導航技術沒有孰優孰劣，只有合不合適。做任何事情都需要把可靠性擺在第一位，AGV導航也是如此，應根據使用環境因地制宜地靈活運用導航技術。

AGV導航技術發展趨勢

近年來， 隨著AGV應用領域不斷擴大，應用的復雜程度越來越高，對其導航及相關技術也提出了許多新的要求。未來，AGV導航技術將呈現如下發展趨勢：

1. 無標記自然導航將被更多采用

新松機器人公司高級副總裁王宏玉表示，未來，工業互聯網、邊緣計算、云計算以及人工智能與智能移動機器人相互交融會越來越普及，將給AGV行業帶來天翻地覆的變化，要求AGV更加智能，更具柔性化。導航技術方面也將更先進，越來越多的AGV將采用無標記自然導航技術以適應復雜、開放的動態環境。如自然輪廓導航，打破了傳統固定式導航方式，無需鋪設磁條、反射板等固定標記物，同時具有自主避障能力，具有更高的柔性和極強的適應性。

2.視覺導航仍是重要發展方向

視覺導航由于具有探測范圍廣、目標信息完整等優點，被多位專家認為是今后AGV導航技術的重要發展方向。目前來看，視覺導航技術已取得了很多研究成果，但由于現有計算設備的運算速度和存儲容量的限制，其中的圖像處理速度慢始終沒有得到很好的解決。隨著計算機技術的發展及快速圖像處理關鍵技術的突破，視覺導航技術將成為具有廣闊前景的AGV導航技術。

3.新技術引發新的解決思路

一些新技術、新產品的出現，將為AGV導航提供新的解決途徑。如圍繞個人移動終端的室內定位技術發展方興未艾，基于Wi-Fi、藍牙的多種方案趨于成熟，并投入市場應用。將這些技術與機器人導航技術相結合，或將為AGV室內導航開辟新思路。

4. 新型傳感器技術的研發

記者在采訪中了解到，常規傳感器和多傳感器信息融合技術在移動機器人導航中的應用已取得許多重大成果，但在一些特殊的環境中，非視覺傳感器的探測范圍和精度與視覺導航系統相比不是很理想，對于一些高精度的導航任務還不能勝任，需要開發出新型傳感器及提出新的信息融合方法來彌補不足。因此，針對AGV導航的新型傳感器的研發和信息融合是業界今后研究的一個重要課題。