不出意外,2016年的“雙十一”依舊火爆,對(duì)各家電商來說,這是一次巨大的機(jī)遇和考驗(yàn)。這里說的機(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,越來越多地應(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,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),隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展,亞馬遜的Kiva機(jī)器人、京東的無人倉(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,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,AGV控制系統(tǒng)需要解決三個(gè)主要問題:我在哪里?我要去哪里?我怎么去?歸納起來分別就是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。今天我們就來談?wù)凙GV的導(dǎo)航問題。
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,通過在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬導(dǎo)線,并加載低頻、低壓電流,使導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),AGV上的感應(yīng)線圈通過對(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?,易受機(jī)械損傷和污染,導(dǎo)航的穩(wěn)定性受環(huán)境影響較大,容易受周圍金屬物質(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行駛路徑的周圍安裝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的信號(hào),根據(jù)三角幾何運(yùn)算來確定其當(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、地面、能見度等環(huán)境的要求相對(duì)苛刻。
視覺導(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),行駛過程中通過視覺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)起來就是:大部分技術(shù)需要通過場(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,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)<15km/h的走路、小跑、側(cè)移、后退等任意步行姿態(tài),采用微慣性器件,包括微加速度計(jì)和微陀螺儀。
將高性能的微慣導(dǎo)定位產(chǎn)品移植到AGV上,可為AGV、叉車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模擬小車定位效果試驗(yàn)。小車行走的軌跡為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、路線拓展不便等問題。
“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,規(guī)劃路線多,靈活性更高,特別適合于智能倉(cāng)儲(chǔ)物流、車間移動(dòng)裝配等應(yīng)用場(chǎng)景,特別適合多AGV并行工作。目前我們的產(chǎn)品有應(yīng)用于機(jī)器人AnBot:
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)無法滿足企業(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)。
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