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AGV导航大全——全网最全的导航方式介绍

公司新闻 新闻中心 1590

按照AGV或其他自动导引小车搬运货物和运行方式的不同,主要分为叉车式、牵引式、顶升式这三种类型 。

其中导航是AGV的核心部分之一,它让AGV知道自己所处的位置,并指引其运行方向和路径。常见的AGV导航方式有很多,并且目前大部分已经得到了成熟的应用。

按照AGV是否铺设外部设备,可以将导航技术分为了固定路径导航、自由路径导航和组合导航三种方式。

一、固定路径导航

固定路径导航主要分为电磁导航或色带导航方式,以埋设磁条、磁电、电磁线或色带为基础的导航技术目前应用较广。对于埋设的导引方式,其铺设和施工的成本高,改造和维护困难,定位精度较低。主要有如下几种方式:

(1)电磁导航

一种传统的导引⽅式,通过在AGV的⾏驶路径上埋设⾦属线,并在⾦属线上加载低频、低压电流,产⽣磁场,再通过车载电磁传感器对导引磁场强弱的识别和跟踪实现导航,读取预先埋设的RFID卡来完整指定任务。

电磁导引的主要优点为⾦属线埋在地下,隐蔽性强,不易受到破坏,导引原理简单可靠,对声光⽆⼲扰,制造成本低。缺点是⾦属线的铺设⿇烦,且更改和拓展路径困难,电磁感应容易受到⾦属等铁磁物质的影响。

电磁导引在路线较为简单,在需要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。

(2)磁带导航

与电磁导引原理较为相近,在AGV的形式路径上铺设磁带,通过车载电磁传感器对磁场信号的识别来实现导引⽅式。

磁带导引主要的优点为技术成熟可靠,成本较低,磁带的铺设较为容易,拓展与更改路径相对电磁导引较为容易,运⾏线路明显,对于声光⽆⼲扰。缺点为路径裸露,容易受到机械损伤和污染,需要⼈员定期维护,容易受到⾦属等铁磁物质的影响,AGV⼀旦执⾏任务只能沿着固定磁带运动,⽆法更改任务。

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。

以电磁导航和磁带导航为代表的传统导航方式,因为沿整个运行路径预埋导引线,所以具有地图建立简单、创建导航坐标系容易,通过相应的传感器检测车体与预埋的导引线之间的偏差即可实现定位等优点,但定位精度差、路线一旦完成预埋无法进行更改。

(3)磁钉导航

磁钉导航和磁条导航都需要磁条传感器来定位AGV相对于路径的左右偏差,主要差异在于铺设方式为连续或离散的区别。假如需要完全使⽤磁钉导航,则需要铺设⼤量磁钉。

磁钉导引的优点是成本低,技术成熟;隐蔽性好,较磁带导航美观;抗⼲扰性强,耐磨损,抗酸碱。磁钉导引的缺点是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,磁钉导引在码头AGV上应⽤较多。磁钉导航一般以辅助导航的形式出现,用以提⾼AGV的定位精度。

(4)⼆维码导航

二维码导航坐标的标志通过地⾯上的⼆维码实现,⼆维码导引与磁钉导引较为相似,只是坐标标志物不同。⼆维码导航是通过AGV应用摄像头扫描地⾯QR⼆维码,通过解析⼆维码信息获取当前的位置信息。⼆维码导航通常与惯性导航相结合,实现精准定位。

亚马逊所用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。⼆维码导引的移动机器⼈的单机成本较低,但是在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。

(5)⾊带导航

在AGV的行驶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的⽅法。光学导引与磁带导引较为类似,主要的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。

⾊带导航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。

二、自由路径导航

固定路径导航有着成本低、运行路线明显、原理简单可靠的优点,但易受外界物质的影响,且不易改变路径,不适用于在复杂动态的场景下。

自由路径导航是指AGV未预先确定行驶路径,主要有光学导航、GPS导航、惯性导航等,由自由路径导航代替固定路径导航已经成为了一种大趋势。

其中光学导航根据设备方式的不同分为主动光学导航(激光导航)、被动光学导航(视觉导航)。光学导航的主要优点是AGV路径可以灵活规划,定位准确,施工方便,能适应各种实际环境。缺点是成本较高,且当行驶区域较大时,所花费的时间要长。其自由路径导航主要有如下方式:

(1)激光导航—-带反光板

激光导航一般是指基于反射板定位的导航。具体原理是在AGV⾏驶路径的周围安装位置精确的反射板,激光扫描器会安装在AGV车体上。激光扫描器随 AGV的⾏⾛, 发出激光束,发出的激光束被沿AGV⾏驶路径铺设的多组反射板直接反射回来,触发控制器记录旋转激光头遇到反射板时的⾓度。控制器根据这些⾓度值与实际的这组反光板的位置相匹配,计算出AGV的绝对坐标,基于这个原理就可以实现⾮常精确的激光导引。

激光导航的⽅式使得AGV能够灵活规划路径,定位准确,⾏驶路径灵活多变,施⼯较为⽅⽅便,能够适应各种实⽤环境。

由于激光导航的反光板处于较⾼的物理位置,不易受到破坏。并且正常⼯作时不能遮蔽反光板,否则会影响其定位情况。由于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。

(2)自然导航/自主导航

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,⽽⾃然导航可以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。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。

⾃然导航的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。

(3)视觉导航

视觉导航是指在AGV小车上安装视觉传感器来获取行驶区域周围的图像信息进而实现导航的方法,硬件上需要下视摄像头,补光灯和遮光罩等来⽀持该种导航⽅式的实现。

AGV在移动过程中,其视觉导航系统利用一个或多个摄影机采集周围环境的图像,在捕捉到地面纹理后会自动构建地图,然后将其与自建地图中的纹理图像进行比较,利用相位相关法计算两幅图像之间的位移和旋转,然后积分估计得到AGV的当前位置,从而实现AGV的定位导航。

视觉导航模式环境适应性较强,但运算量随摄影机数量和分辨率提升呈指数级上涨,对处理器运算能力和散热能力要求极高。对环境光源有一定的要求,且可靠性较差。

视觉导航AGV⽬前在市场上的应⽤较少,视觉纹理导航的优点是硬件成本较低,定位精确。缺点是运⾏的地⾯需要有纹理信息,当运⾏场地⾯积较⼤,绘制导航地图的时间相⽐激光导航长。

(4)惯性导航

利用AGV内部传感器获取位置,主要⽤光电编码器,陀螺仪,或者两者同时使⽤。AGV的车轮上装有光电编码器,在运动过程中利⽤编码器的脉冲信号进⾏粗略的航位推算确定位置。利⽤陀螺仪可以获取AGV的三轴⾓速度和加速度,通过积分运算获取位置信息,两种航位推算可以进⾏融合。惯性导航的成本低,短时间定位精度较⾼、隐蔽性好且抗干扰性强,但会随着运动累计误差,直⾄丢失位置。所以⼀般情况下,惯性导航会作为其他导航⽅式的辅助定位。

开始使用时需要的初始校准时间较长,并且受加工技术限制,高精度陀螺仪成本高昂、设备结构复杂,难以大规模推广应用。

(5)其他自由路径导航

a. 室内无线AP定位

室内无线AP定位定位技术是靠同时测定多个无线AP发射的无线信号的强度计算距离来实现定位的。实现室内无线AP定位需要在环境中预先安装大量专用定位AP,并进行大量的测试。由于需要对每一个无线AP进行布线和调试,而且无线AP信号极易受环境中其他设备干扰,这种方法实现起来工作量大、成本高,实际应用中可靠性和定位精度较差。

b. LBS基站定位

LBS基站定位技术是一种利用运营商网络获取用户移动终端位置信息的方法,以现有的运营商网络实现定位,不需要布设定位设施,方便快捷。但是定位效果取决于运营商网络质量,网络信号易受其他设备干扰。由于运营商基站布设密度普遍较低,因此这种方法定位精度差、可靠性差。

c. 地磁场定位

以地磁场构建室内地图的方法还处于理论研究阶段,在技术实现上比较复杂,且容易受设备磁场和地质活动干扰。

d. GPS导航

指在AGV上搭载GPS传感器来获取位置和航向信息实现导航的方法。GPS导航的导航精度较低,位置误差在10⽶左右,实时定位速度快,覆盖范围广,操作简单。缺点是易受气候、电磁波等的影响,且需要在视野开阔、障碍物较少的区域进行。GPS导航主要应⽤在汽车、船舶、⼿机等定位,在精度要求较⾼的室内AGV定位上使⽤较少。

自由路径导航有着路径自由、灵活规划、定位精度高的优点,但成本较高,误差会随着时间累积。

三、组合导航

在智能生产与智慧物流的背景下,现存的AGV导航技术仍然存在不足,在效率与精度上不能实现两最优,尤其是在大规模未知的复杂环境中,AGV导航技术在精度和实时性上还需进一步提高。为了更好地适应在复杂、动态作业环境下的各个行业,满足更高的要求,AGV导航技术面临着新任务和新挑战,将朝着柔性高、精度高和可靠性强的方向发展,而与5G、云计算、物联网技术等的交互融合将会使得性能有所提高,进而提高AGV的环境感知与建模能力、自主决策能力和智能化,能更好地躲避障碍物,实现更自主的移动,提高效率与精度。

以上提到的各种方法都有其相应的优缺点,在特定的场景下难以实现性能的最优。而组合导航是指根据导航功能互补的特点,以适当的方法将两种或者两种以上的方法将其组合,提高系统的整体导航精度、实时等性能,使AGV适应各种使⽤场景。

组合导航指应⽤两种或两种以上导引(或导航)⽅式实现AGV运⾏的⽅法。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。

根据应用场景,针对提高AGV性能的导航方式对其进行组合,可以将方法之间的优势都体现出来,解决了单一方法的缺点,因此组合导航方法有时能取得更佳的结果,比如视觉/惯性组合的AGV导航方法 。组合导航优点是AGV能适应各种使用场景中的导航方式,使用相对灵活,改变路径也比较容易,因此在各行业的应用会越来越广泛。

目前,已经成熟的组合导航技术有:基于磁钉技术与惯性导航的AGV组合导航系统;激光导航和红外导航的AGV组合导航方式;激光雷达和二维码地标组合导航的方法;基于GPS/DR信息融合的AGV导引系统;基于二维码导航技术与惯性导航相结合的双摄像头扫码的方法;视觉与惯性导航系统的组合导航方法;惯性和视觉的AGV组合导航方法;多目视觉与激光组合导航的精确定位方法;惯性导航系统结合地埋RFID标签的导航方式;惯性导航系统与超宽带及地标组合的方法,等等。

总体来看,AGV作为一种先进的自动化搬运工具,已经被越来越多的行业采用。虽然AGV的导航方式有很多,但各有各的不足和优势,再加上环境越来越复杂动态且多变,导航的精度还需要进一步提高,需要根据实际使用场景选择合适的导航方式。

四、总结

AGV/AMR/搬运机器人作为一种物料搬运且被自动导引的小车,其动力及动力控制系统趋于紧凑化和高集成化,具有高精度、高稳定性等要求。

江苏亿控智能装备有限公司作为国内知名的动力及控制系统和整车技术方案提供商,不仅能为AGV车辆提供舵轮、驱动轮、差速轮、驱动器和导航系统等单台AGV的动力及控制组件,也能为整车和多台AGV提供成套技术方案,可以为客户实现自然导航、视觉导航、磁导航等多种导引方式,致力于高精度、总线控制、多场景的搬运机器人应用。

江苏亿控舵轮、驱动轮、差速轮和驱动桥等等轮式动力产品及驱动器产品可应用于高端装备业、工程机械、智能生产、大型仓库、港口等行业的自动生产、自动仓储和自动物流操作中的AGV、AMR等设备上。

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