自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)越來(lái)越火,聊一聊它背后的微慣導(dǎo)AGV技術(shù)
http://m.mozp.cn不出意外，2016年的“雙十一”依舊火爆，對(duì)各家電商來(lái)說(shuō)，這是一次巨大的機(jī)遇和考驗(yàn)。這里說(shuō)的機(jī)遇和考驗(yàn)，指的是同一個(gè)事：暴增的訂單量。除了考驗(yàn)電商網(wǎng)站服務(wù)器、支付系統(tǒng)等軟硬件設(shè)施，更是極度考驗(yàn)了電商的倉(cāng)儲(chǔ)和物流能力。為了應(yīng)對(duì)這樣的情況，自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)自然成了未來(lái)發(fā)展的主流方向。
AGV搬運(yùn)機(jī)器人作為物流裝備中自動(dòng)化水平最高的產(chǎn)品自動(dòng)化 越來(lái)越多地應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)、制造、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方式自動(dòng)化 AGV搬運(yùn)機(jī)器人在不需要人工駕駛的情況下就能夠沿預(yù)定的路線(xiàn)自動(dòng)行駛，將貨物或物料自動(dòng)從起始點(diǎn)運(yùn)送到目的地。在物流行業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)，隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展倉(cāng)儲(chǔ)，亞馬遜的Kiva機(jī)器人、京東的無(wú)人倉(cāng)計(jì)劃等都加快了自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)的進(jìn)程。
AGV的調(diào)度控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化的關(guān)鍵倉(cāng)儲(chǔ)，即對(duì)AGV進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)度，確保多個(gè)AGV能同時(shí)有序、規(guī)范作業(yè)。
通俗地說(shuō)，AGV控制系統(tǒng)需要解決三個(gè)主要問(wèn)題：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？歸納起來(lái)分別就是AGV控制系統(tǒng)中的三個(gè)主要技術(shù)：導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、導(dǎo)引控制。今天我們就來(lái)談?wù)凙GV的導(dǎo)航問(wèn)題。
不同的AGV導(dǎo)航方式在適合的環(huán)境下，才能較好的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。
AGV從發(fā)明至今，衍生出了多種導(dǎo)航方式，目前主流的方式有以下幾種：
電磁導(dǎo)航是一種較為傳統(tǒng)的引導(dǎo)方式，通過(guò)在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬導(dǎo)線(xiàn)，并加載低頻、低壓電流，使導(dǎo)線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，AGV上的感應(yīng)線(xiàn)圈通過(guò)對(duì)導(dǎo)航磁場(chǎng)強(qiáng)弱的識(shí)別和跟蹤，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。由于金屬線(xiàn)是被埋設(shè)在地下的，具有非常隱蔽、不易破損、不易被污染的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本較低，原理簡(jiǎn)單。這種布設(shè)方式也導(dǎo)致其路徑更改靈活性差，面對(duì)實(shí)際的作業(yè)要求，路徑需要改變時(shí)，就會(huì)帶來(lái)特別多的麻煩，而且施工量也會(huì)特別大。
磁帶導(dǎo)航與電磁導(dǎo)航有著比較相近的原理，在磁帶導(dǎo)航中，磁帶是被鋪設(shè)在路面上的。目前這種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用較為廣泛，使用起來(lái)靈活性較高，鋪設(shè)簡(jiǎn)單，改變或擴(kuò)充路徑容易。但因?yàn)榇艓饴叮资軝C(jī)械損傷和污染，導(dǎo)航的穩(wěn)定性受環(huán)境影響較大，容易受周?chē)饘傥镔|(zhì)的干擾。
光學(xué)導(dǎo)航是在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過(guò)對(duì)光學(xué)傳感器采入的色帶圖像信號(hào)進(jìn)行識(shí)別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。光學(xué)導(dǎo)航的原理與磁帶導(dǎo)航方式類(lèi)似，靈活性較好，布設(shè)簡(jiǎn)單。但同樣容易受色帶污染和磨損的影響，對(duì)環(huán)境要求比較高。
激光導(dǎo)航是在AGV行駛路徑的周?chē)惭b位置精確的激光反射板，AGV上的激光定位裝置發(fā)射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回來(lái)的信號(hào)，根據(jù)三角幾何運(yùn)算來(lái)確定其當(dāng)前的位置和方向，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，地面無(wú)需其它定位設(shè)施，行駛路徑可靈活改變。缺點(diǎn)是制造成本高，對(duì)光線(xiàn)、地面、能見(jiàn)度等環(huán)境的要求相對(duì)苛刻。
視覺(jué)導(dǎo)航是一種比較新型的導(dǎo)航方式，在AGV上安裝CCD攝像機(jī)，行駛過(guò)程中通過(guò)視覺(jué)傳感器采集圖像信息并處理確定AGV的當(dāng)前位置。這種方式具備良好的導(dǎo)航柔性，隨著計(jì)算機(jī)圖像采集、儲(chǔ)存和處理技術(shù)的飛速發(fā)展，其實(shí)用性也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。
慣性導(dǎo)航以陀螺和加速度計(jì)為敏感器件，利用加速度計(jì)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，根據(jù)陀螺的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算獲得載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置，達(dá)到導(dǎo)航定位的目的。
慣性導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于火箭制導(dǎo)，后來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的提高，人們對(duì)慣性技術(shù)了解的不斷普及和深入，慣性技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已逐步從軍用擴(kuò)展到民用。慣性導(dǎo)航是AGV領(lǐng)域一項(xiàng)新興的技術(shù)，它是一種自主式的導(dǎo)航技術(shù)，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航不需要布設(shè)任何設(shè)備，不依賴(lài)于外界環(huán)境，具有更大的運(yùn)動(dòng)自由度，更適合應(yīng)用于智能倉(cāng)儲(chǔ)物流、車(chē)間移動(dòng)裝配等。
除了上述提到的幾種主流導(dǎo)航方式，還有SLAM導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、混合導(dǎo)航（如激光磁釘混合導(dǎo)航）等比較新穎的導(dǎo)航技術(shù)。面對(duì)這么多種AGV導(dǎo)航技術(shù)解決方案，總結(jié)起來(lái)就是：大部分技術(shù)需要通過(guò)場(chǎng)地改造（鋪磁軌、貼色帶、貼地標(biāo)二維碼、安裝激光反射板）來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些外部設(shè)施的搭建使得建設(shè)及維護(hù)成本高，受環(huán)境的限制大，靈活性較差。
微慣導(dǎo)AGV適用場(chǎng)景
慣性導(dǎo)航技術(shù)作為一種不依賴(lài)于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航定位技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于給定了初始條件后，不需要外部參照就可確定當(dāng)前位置、方向及速度，適用于各種復(fù)雜地理環(huán)境和外界干擾下的精確定位，且能不斷測(cè)量位置的變化，精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。隨著科技進(jìn)步，成本較低、體積較小的微機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）器件精度越來(lái)越高，“微慣導(dǎo)”定位技術(shù)己經(jīng)逐步推廣到工業(yè)、軍事等領(lǐng)域，且在公安消防、應(yīng)急救援中得到了比較成熟的應(yīng)用。
微慣導(dǎo)AGV適用于如下場(chǎng)景：
1. 非固定路線(xiàn)，AGV可以全自由度移動(dòng)；
2. 大場(chǎng)景長(zhǎng)距離，路徑鋪設(shè)復(fù)雜，需要多個(gè)AGV協(xié)同完成任務(wù)；
3. 空間比較狹窄，需要AGV前進(jìn)、后退或側(cè)向移動(dòng)；
4. 路徑更改和場(chǎng)地拓展較為頻繁的場(chǎng)合；
5. 其他不方便鋪設(shè)磁條等設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合。
以我們自主研發(fā)的微慣導(dǎo)人員定位產(chǎn)品為例，定位精度達(dá)到0.3%，相當(dāng)于走1公里誤差不到3米，適應(yīng)
將高性能的微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品移植到AGV上，可為AGV、叉車(chē)等提供高精度的航向角、俯仰角、橫滾角等數(shù)據(jù)，獲取驅(qū)動(dòng)輪數(shù)據(jù)后，結(jié)合慣導(dǎo)加速度信息可輸出穩(wěn)健的慣導(dǎo)定位結(jié)果。按AGV行駛速度為3m/s估算，10s內(nèi)定位誤差優(yōu)于5cm（排除環(huán)境干擾、AGV抖動(dòng)、打滑等影響）。
下面是在沒(méi)有其他任何輔助信息的條件下，僅依靠采集微慣導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和機(jī)器人的速度參數(shù)，我們做的一個(gè)AGV模擬小車(chē)定位效果試驗(yàn)。小車(chē)行走的軌跡為5m*5.5m的矩形，總里程約60m。
在AGV的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，倉(cāng)儲(chǔ)、工廠等面積往往比較大，在大場(chǎng)景長(zhǎng)距離情況下，由于慣導(dǎo)固有的漂移率，仍然會(huì)有較大的累積誤差，需要外部的信息進(jìn)行校準(zhǔn)。
目前市面上也出現(xiàn)了一些將慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于AGV的公司，大概是采用“慣性傳感器+磁釘”技術(shù)方案，利用磁釘加RFID等配合AGV車(chē)體進(jìn)行糾偏，保證慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度及可靠性。但是這種方案同樣存在磁釘施工難度較大、路線(xiàn)拓展不便等問(wèn)題。
“微慣導(dǎo)+UWB（稀疏配置）”的融合定位方式，如下圖所示，以微慣導(dǎo)定位為主，單個(gè)UWB基站輔助定位，利用UWB測(cè)距信息對(duì)慣導(dǎo)累積的位置和方向漂移進(jìn)行校正，增強(qiáng)了AGV在復(fù)雜環(huán)境條件下的抗干擾能力，保證AGV在復(fù)雜軌跡運(yùn)行時(shí)有較高的精度定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多終端軌跡標(biāo)定。
在這個(gè)定位方案中，微慣導(dǎo)連續(xù)定位替代當(dāng)前大部分AGV導(dǎo)航方式中的離散定位，AGV路徑規(guī)劃突破了固定路線(xiàn)的束縛，具有更大的運(yùn)動(dòng)自由度，導(dǎo)航出錯(cuò)時(shí)能夠及時(shí)糾正路線(xiàn)，規(guī)劃路線(xiàn)多，靈活性更高，特別適合于智能倉(cāng)儲(chǔ)物流、車(chē)間移動(dòng)裝配等應(yīng)用場(chǎng)景，特別適合多AGV并行工作。
工業(yè)的發(fā)展、電商的涌現(xiàn)、人力成本的劇增使得自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)成為趨勢(shì)，傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)物流勞動(dòng)力效率低、人力成本高，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。微慣導(dǎo)AGV在自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的應(yīng)用，體現(xiàn)了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主定位、不受干擾、布設(shè)簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了AGV的先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等特點(diǎn)。