AGV导航技术介绍 视觉导航是重点发展方向

特别是随着《中国制造2025》战略的全面推进，以及电子商务的迅猛发展，企业对高效、灵活、节能的自动化物流系统的需求越来越强烈，对AGV技术也提出了更高的要求。作为AGV的关键技术之一，导航技术的发展引起业界的高度重视。相关企业也在积极推动AGV导航技术的创新，以适应不断变化发展的市场需要。

       AGV导航关键技术

       AGV根据路径偏移量来控制速度和转向角，从而保证AGV精确行驶到目标点的位置及航向的过程，叫做“导航”。AGV导航主要涉及三大技术要点：

       1.定位

       定位是确定移动机器人在运行环境中相对于全局坐标的位置及航向，是AGV导航的最基本环节。目前AGV定位方法分为:

      （1）卫星定位。它是一种以空间卫星为基础的高精度导航与定位系统。GPS定位系统用于AGV定位时存在近距离定位精度低等问题。

      （2）惯性定位。通过对固联在载体上的三轴加速度计、三轴陀螺仪进行积分，获得载体实时、连续的位置、速度、姿态等信息。但惯性误差经过积分之后都会产生无限的累积，因此纯惯性导航不适合长时间的精确定位。

     （3）电子地图匹配定位。利用图像处理技术，将实时获取的环境图像与基准图进行匹配，从而确定载体当前的位置，匹配的特征可以为设定的路标、特定的景象或是道路曲率。电子地图匹配特别适用于对机器人系统长时间的定位误差进行校准。

      以上定位方式中，惯性定位为相对定位方式，可以获得连续的位置、姿态信息，但存在累积误差；卫星定位、电子地图匹配等定位方式为绝对定位，可以获得精确的位置信息，但难以获得连续姿态信息。相对定位与绝对定位方式存在较强的互补性，通常采用将两者结合的组合定位方法。

       2.环境感知与建模

       为了实现AGV自主导航，需要根据多种传感器识别多种环境信息：如道路边界、地形特征、障碍、引导者等。AGV通过环境感知确定前进方向中的可达区域和不可达区域，确定在环境中的相对位置，以及对动态障碍物运动进行预判，从而为局部路径规划提供依据。

       目前，多传感器信息融合技术已经被应用于AGV导航系统中，其所起的作用关系着机器人的智能化水平。这种技术的核心在于可以有效地对多传感器收集到的信息进行处理和融合，提高AGV自身对于不确定信息的抵抗能力，确保有更多可靠的信息被利用，有助于AGV更为直观地判断出周围的环境。

       3.路径规划

       路径规划是导航的一个重要环节。AGV根据环境的变化，对环境信息进行收集和分析，按照某一性能进行搜索，进而找出从起点到目标点的zui优无碰撞路径或次优无碰撞路径；能够处理环境模型中的不确定因素和路径跟踪中出现的误差，使外界对机器人的影响降到最小；利用已知信息来引导AGV动作，从而得到相对更优的行为策略。

      根据AGV掌握环境信息的程度不同，可分为两种类型：一个是基于环境信息已知的全局路径规划，另一个是基于传感器信息的局部路径规划，后者环境是未知或部分未知的，即障碍物的尺寸、形状和位置等信息必须通过传感器获取。

      主流导航方式及其特点

      AGV从出现至今，已经衍生出了多种导航方式，每种导航方式均有自己的独特之处和用武之地。目前AGV主流的导航方式有以下几种：

       1.磁条导航

      磁条导航是一项非常成熟的技术，主要是通过在路面上铺设磁条，通过磁导航传感器不间断地感应磁条产生的磁信号实现导航，通过读取预先埋设的RFID卡来完成指定任务。磁条导航现场施工简单，成本低，对于声光无干扰性，AGV运行线路明显，线路二次变更容易、变更周期短，对施工人员技术要求低。但此导航方式灵活性差，AGV只能沿磁条行走，更改路径需重新铺设磁条，且磁条容易损坏，后期维护成本较高。

       2.电磁导航

      电磁导航是较为传统的导航方式之一，目前仍被许多系统采用。它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导航原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性较大。

       3.光学导航

      光学导航是在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图像信号进行简单处理而实现自动导引。该导航方式分为色带跟踪导航、二维码识别等功能。光学导航技术成熟，应用也较为广泛。目前，亚马逊应用的KIVA机器人就是利用光学导航实现的。该导航方式灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。

       4.激光导航

      激光导航是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。

此项技术最大的优点是，AGV定位精确，地面无需其他定位设施，行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境。缺点是制造成本高，对环境要求比较苛刻（外界光线、地面要求、能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）应用。

       5.视觉导航

      视觉导航是在AGV上安装CCD摄像机，AGV在行驶过程中通过视觉传感器采集图像信息，并通过对图像信息的处理确定AGV的当前位置。

      视觉导航方式具有路线设置灵活、适用范围广、成本低等优点。但是，由于利用车载视觉系统快速准确地实现路标识别这一技术瓶颈尚未得到突破，因此，目前该方法尚未进入实用阶段。

       6.惯性导航

       惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向，从而实现导引。

       此项技术在军方较早运用，其主要优点是技术先进，定位精准，地面处理工作量小，路径灵活性强。其缺点是制造成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。

        7.轮廓导航

       轮廓导航是目前AGV最为先进的导航技术。该技术利用二维激光扫描仪对现场环境进行测量、学习，并绘制导航环境，然后进行测量学习，修正地图进而实现自动导航功能。轮廓导航利用自然环境（墙壁、柱子以及其它固定物体）进行自由测距导航，根据环境测量结果更新位置。该导航技术的优点是，不需要反射器或其它人工地标，能够降低安装成本，减少维护工作。

       视觉导航仍是重要发展方向

       视觉导航由于具有探测范围广、目标信息完整等优点，被多位专家认为是今后AGV导航技术的重要发展方向。目前来看，视觉导航技术已取得了很多研究成果，但由于现有计算设备的运算速度和存储容量的限制，其中的图像处理速度慢始终没有得到很好的解决。随着计算机技术的发展及快速图像处理关键技术的突破，视觉导航技术将成为具有广阔前景的AGV导航技术。