自动化仓储AGV定位，微惯导技术崭露头角
2016-12-06 18:04 性质：供稿 作者：大格子GZ 来源：格纳微科技
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AGV的调度控制系统是实现其自动化的关键，即对AGV进行准确调度，确保多个AGV能同时有序、规范作业。通俗地说，AGV控制系统需要解决三个主要问题：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？
　　不出意外，2016年的“双十一”依旧火爆，对各家电商来说，这是一次巨大的机遇和考验。这里说的机遇和考验，指的是同一个事：暴增的订单量。除了考验电商网站服务器、支付系统等软硬件设施，更是极度考验了电商的仓储和物流能力。为了应对这样的情况，自动化仓储自然成了未来发展的主流方向。
 

　　AGV（Automated Guided Vehicle）搬运机器人作为物流装备中自动化水平最高的产品，越来越多地应用于仓储、制造、医疗等多个行业领域。相比传统的人工搬运方式，AGV搬运机器人在不需要人工驾驶的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。在物流行业，随着电子商务的快速发展，亚马逊的Kiva机器人、京东的无人仓计划等都加快了自动化仓储的进程。自动化仓储行业通过采用AGV，替代了传统的用人工驱动小车的货物运输工作，改善了工人的工作环境条件，提高了企业自动化生产水平，有效地解放了劳动生产力，减轻了劳动强度，同时促进了企业人员素质与管理水平的提高。
　　AGV的调度控制系统是实现其自动化的关键，即对AGV进行准确调度，确保多个AGV能同时有序、规范作业。通俗地说，AGV控制系统需要解决三个主要问题：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？归纳起来分别就是AGV控制系统中的三个主要技术：导航、路径规划、导引控制。今天我们就来谈谈AGV的导航问题。
　　不同的AGV导航方式在适合的环境下，才能较好的发挥其优势
　　AGV从发明至今，衍生出了多种导航方式，目前主流的方式有以下几种：
　　电磁导航是一种较为传统的引导方式，通过在AGV的行驶路径上埋设金属导线，并加载低频、低压电流，使导线周围产生磁场，AGV上的感应线圈通过对导航磁场强弱的识别和跟踪，实现AGV的导引。由于金属线是被埋设在地下的，具有非常隐蔽、不易破损、不易被污染的优点，同时成本较低，原理简单。这种布设方式也导致其路径更改灵活性差，面对实际的作业要求，路径需要改变时，就会带来特别多的麻烦，而且施工量也会特别大。
　　磁带导航与电磁导航有着比较相近的原理，在磁带导航中，磁带是被铺设在路面上的。目前这种技术比较成熟，应用较为广泛，使用起来灵活性较高，铺设简单，改变或扩充路径容易。但因为磁带外露，易受机械损伤和污染，导航的稳定性受环境影响较大，容易受周围金属物质的干扰。
　　光学导航是在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对光学传感器采入的色带图像信号进行识别实现导引。光学导航的原理与磁带导航方式类似，灵活性较好，布设简单。但同样容易受色带污染和磨损的影响，对环境要求比较高。
　　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上的激光定位装置发射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回来的信号，根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向，实现AGV的导引。这种方式的优点是定位精度高，地面无需其它定位设施，行驶路径可灵活改变。缺点是制造成本高，对光线、地面、能见度等环境的要求相对苛刻。
　　视觉导航是一种比较新型的导航方式，在AGV上安装CCD摄像机，行驶过程中通过视觉传感器采集图像信息并处理确定AGV的当前位置。这种方式具备良好的导航柔性，随着计算机图像采集、储存和处理技术的飞速发展，其实用性也会越来越强。
　　惯性导航以陀螺和加速度计为敏感器件，利用加速度计测量载体在惯性参考系的加速度，根据陀螺的输出建立导航坐标系，经过积分运算获得载体在导航坐标系中的速度和位置，达到导航定位的目的。惯性导航技术最早应用于火箭制导，后来随着科学技术的提高，人们对惯性技术了解的不断普及和深入，惯性技术的应用领域已逐步从军用扩展到民用。惯性导航是AGV领域一项新兴的技术，它是一种自主式的导航技术，相比传统的导航方式，惯性导航不需要布设任何设备，不依赖于外界环境，具有更大的运动自由度，更适合应用于智能仓储物流、车间移动装配等。
　　除了上述提到的几种主流导航方式，还有SLAM导航、二维码导航、混合导航（如激光磁钉混合导航）等比较新颖的导航技术。面对这么多种AGV导航技术解决方案，总结起来就是：大部分技术需要通过场地改造（铺磁轨、贴色带、贴地标二维码、安装激光反射板）来实现，这些外部设施的搭建使得建设及维护成本高，受环境的限制大，灵活性较差。
　　微惯导成为最具发展潜力的AGV导航技术手段之一
　　惯性导航技术作为一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航定位技术，其优势在于给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度，适用于各种复杂地理环境和外界干扰下的精确定位，且能不断测量位置的变化，精确保持动态姿态基准。随着科技进步，成本较低、体积较小的微机械系统（MEMS）器件精度越来越高，“微惯导”定位技术己经逐步推广到工业、军事等领域，且在公安消防、应急救援中得到了比较成熟的应用。
　　微惯导技术应用于AGV导航是目前一种比较新兴的方式，不依赖于任何外界设备（不需要铺设磁条、布置激光反射板等），不受外界电磁干扰的影响，摆脱了传统方式的环境限制，能工作在任何地方，是一种更加智能化的定位技术，随着MEMS惯性元器件的发展，成本的降低，微惯导定位的自主性、抗干扰性以及高度的灵活性将使其成为未来最具发展潜力的AGV定位导航技术手段，仅仅依靠小型的惯性传感器就能提供高精度的位置、速度、航向和姿态角数据，实现自主定位。微惯导AGV适用于如下场景：
　　1.  非固定路线，AGV可以全自由度移动；
　　2.  大场景长距离，路径铺设复杂，需要多个AGV协同完成任务；
　　3.  空间比较狭窄，需要AGV前进、后退或侧向移动；
　　4.  路径更改和场地拓展较为频繁的场合；
　　5.  其他不方便铺设磁条等设备的应用场合；
　　作为一家专注微惯导定位技术多年的团队，格纳微科技自主研发的微惯导人员定位产品，定位精度达到了0.3%，相当于走1公里误差不到3米，可以适应<15km/h的走路、小跑、侧移、后退等任意步行姿态，基本上可以满足实际应用需求了。区别于传统的惯导定位产品，我们采用的是微惯性器件，包括微加速度计和微陀螺仪，它们是微机电系统（MEMS）的一类，具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的特点。
　　目前我们已将高性能的微惯导定位产品移植到AGV上，可为AGV、叉车等提供高精度的航向角、俯仰角、横滚角等数据，获取驱动轮数据后，结合惯导加速度信息可输出稳健的惯导定位结果。按AGV行驶速度为3m/s估算，10s内定位误差优于5cm（排除环境干扰、AGV抖动、打滑等影响）。二维码等定位方式结合惯导，可增大二维码布置间距；UWB等定位方式结合惯导，可减少基站布设的数量且基站之间无需同步……类似这样的技术结合都可以极大的减小施工工作量、节约成本。
　　下图是在没有其他任何辅助信息的条件下，仅依靠采集微惯导的运动参数和机器人的速度参数，我们做的一个AGV模拟小车定位效果试验。小车行走的轨迹为5m*5.5m的矩形，总里程约60m。
（视频地址：http://www.glonavin.com/index.php?id=64）
 

　　在AGV的实际应用场景中，仓储、工厂等面积往往比较大，在大场景长距离情况下，由于惯导固有的漂移率，仍然会有较大的累积误差，需要外部的信息进行校准。
　　目前市面上也出现了一些将惯导技术应用于AGV的公司，如青岛海通、沈阳新松等，大概是采用“惯性传感器+磁钉”技术方案，利用磁钉加RFID等配合AGV车体进行纠偏，保证惯性导航系统的精度及可靠性。但是这种方案同样存在磁钉施工难度较大、路线拓展不便等问题。
　　基于此，格纳微科技提出了“微惯导+UWB（稀疏配置）”的融合定位方式，如下图所示，以微惯导定位为主，单个UWB基站辅助定位，利用UWB测距信息对惯导累积的位置和方向漂移进行校正，增强了AGV在复杂环境条件下的抗干扰能力，保证AGV在复杂轨迹行走时有较高的精度定位，同时实现多终端轨迹标定。通过在AGV上配置我司自主研发的微惯导定位模块和UWB辅助定位标签，在空间布设极少量的UWB辅助定位基站，实现AGV导航定位，目前精度可以达到10厘米级。
 

　　工业的发展、电商的涌现、人力成本的剧增使得自动化仓储成为趋势，传统仓储物流劳动力效率低、人力成本高，已经无法满足企业高效运转的需求，AGV等各种工业、服务机器人逐步代替劳动力将拥有更加广泛的市场前景和发展潜力。微惯导AGV在自动化仓储行业的应用，体现了惯性导航系统的自主定位、不受干扰、布设简单灵活等优势，体现了AGV的先进性、实用性、经济性、安全性、可靠性等特点。在未来，格纳微科技会继续深耕微惯导AGV导航定位领域，结合SLAM、二维码、视觉等技术为行业伙伴提供更为全面的解决方案。
　　作者简介：大格子GZ，格纳微科技技术总监。如需转载请联系微信号：tonyfrog
　　格纳微科技是一家专注于MEMS传感器、惯性导航、微波射频等核心技术的创业型公司，自主研发了微惯导室内定位产品，精度和稳定度稳居业内领先地位。产品适用于军警/消防(应急、训练)、人员管控和防走丢、VR、AGV等场景，提供全面专业的室内外“全域”定位技术解决方案。