AGV導航技術介紹 視覺導航是重點發展方向

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、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定位，可以獲得的位置信息，但難以獲得連續姿態信息。相對定位與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、*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*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??；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。
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*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。
此項技術大的優點是，AGV定位，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。而且，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已經得到突破，因此，視覺導航技術已經進入實用階段，前景看好。
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jun方較早運用，其主要優點是技術先進，定位，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。

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。