“工业4.0”、“中国制造2025”为制造装备提供了机遇,同时也提出了新的挑战。自动导引车(Automated Guided Vehicle, AGV)是制造业、物流业的重要装备之一,AGV以其高效率、高自动化和高灵活性的特点,在提高劳动效率、降低成本上发挥了重要作用。AGV作为新智能时代的产物,其核心之一是导航技术,如何将导航性能发挥到最优是一个难点。本文结合AGV导航的研究现状,按照AGV是否铺设外部设备,对AGV导航技术的固定路径导航、自由路径导航和组合导航这三种方法进行综述。最后,对每种方法的应用场景及AGV导航技术研究中存在的不足进行分析,并提出了AGV导航技术未来的研究方向和建议。 “Industry 4.0” and “Made in China 2025” provide opportunities for manufacturing equipment, but also pose new challenges. In recent years, with the development of science and technology and the rise of intelligent manufacturing, automated guided vehicles (AGV) have played an important role in alleviating labor efficiency and reducing costs due to their high efficiency, high automation and high flexibility. As a product of the new intelligent era, one of the cores of AGV is navigation technology. How to maximize the navigation performance is a difficult point. This paper firstly introduces the research status of AGV navigation. Secondly, according to whether the AGV is equipped with external equipment, the AGV navigation technology is divided into three methods: non-free path navigation, free path navigation and hybrid navigation, and the advantages and disadvantages of each method are analyzed. Finally, the application scenarios of each method are listed, the deficiencies in the current research on AGV navigation technology are pointed out, and future research methods and suggestions are put forward.
“工业4.0”、“中国制造2025”为制造装备提供了机遇,同时也提出了新的挑战。自动导引车(Automated Guided Vehicle, AGV)是制造业、物流业的重要装备之一,AGV以其高效率、高自动化和高灵活性的特点,在提高劳动效率、降低成本上发挥了重要作用。AGV作为新智能时代的产物,其核心之一是导航技术,如何将导航性能发挥到最优是一个难点。本文结合AGV导航的研究现状,按照AGV是否铺设外部设备,对AGV导航技术的固定路径导航、自由路径导航和组合导航这三种方法进行综述。最后,对每种方法的应用场景及AGV导航技术研究中存在的不足进行分析,并提出了AGV导航技术未来的研究方向和建议。
AGV,AGV导航,固定路径;自由路径;组合导航
Qinghua Su1,2*, Didi Zhang1,2, Hao Wu1,2, Zhenbo Qin1,2
1Beijing Wuzi University, Beijing
2Beijing Intelligent Logistics Laboratory, Beijing
Received: Jul. 18th, 2022; accepted: Aug. 18th, 2022; published: Aug. 24th, 2022
“Industry 4.0” and “Made in China 2025” provide opportunities for manufacturing equipment, but also pose new challenges. In recent years, with the development of science and technology and the rise of intelligent manufacturing, automated guided vehicles (AGV) have played an important role in alleviating labor efficiency and reducing costs due to their high efficiency, high automation and high flexibility. As a product of the new intelligent era, one of the cores of AGV is navigation technology. How to maximize the navigation performance is a difficult point. This paper firstly introduces the research status of AGV navigation. Secondly, according to whether the AGV is equipped with external equipment, the AGV navigation technology is divided into three methods: non-free path navigation, free path navigation and hybrid navigation, and the advantages and disadvantages of each method are analyzed. Finally, the application scenarios of each method are listed, the deficiencies in the current research on AGV navigation technology are pointed out, and future research methods and suggestions are put forward.
Keywords:AGV, AGV Navigation, Fixed Path, Free Path, Integrated Navigation
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随着“工业4.0”、“中国制造2025”的提出以及人工智能和5G技术的快速发展,制造装备的自动化需求不断释放,新兴的智能制造在我国工业发展中的比重逐渐增多,智慧物流的重要性也越来越明显,因此企业普遍会引入更多数字化、智能化的设备。随着智能制造2025时代步伐的逼近,带自动导引装置、能沿着规定的引导路径行驶且有安全保护和各种移载功能的自动导引车(Automated Guided Vehicle,简称AGV),在加上其高自动化、高灵活性、高效率以及能并行作业等特点,无疑受到了重点关注 [
近年来人们生活水平逐渐提高,在物流、医药、家电、农业等各个行业中,普遍存在运输任务量大且繁琐的现象,这极大消耗了人力资源,而作为集自动化为一体的移动式机器人设备,AGV产业迎来蓬勃发展。AGV小车的应用使得各个产业的发展更加快速,提高生产效率,减少人力消耗,优化资源,降低成本 [
因此本文系统地查阅了国内外AGV导航技术文献,并对其现存的导航技术进行了分类,阐述了其应用场景,指出了现有的导航技术存在的不足和改进方向。
按照AGV搬运货物和运输方式的不同,AGV主要分为叉车式、牵引式、顶升式这三种 [
固定路径导航是指将导航用的外部设备铺设在AGV小车行驶的路径上,AGV通过采集到它的信息而得到导向的一种方式,主要有电磁导航、光学导航等 [
电磁导航是将加载导引频率的金属线埋设在AGV行驶的路径中,通过车载电磁传感器传递电磁场,AGV识别出导引频率的强弱和跟踪并实现导航 [
图1. 叉车式AGV示意图
图2. 牵引式AGV示意图
图3. 顶升式AGV示意图
图4. 电磁导航AGV示意图
电磁导航的主要优点是金属线埋在地下,隐蔽性好,不易损坏,导航原理简单可靠,对声光无干扰,制造成本低,技术成熟。缺点是金属线的铺设比较麻烦,很难改变和扩大路径,而且电磁感应容易受到金属等铁磁性物质的影响。
光学导航是指在AGV小车的行驶路径上设置光学标记,通过车载光学传感器获、取图像信号识别来实现导航的方法 [
光学导航的主要优点是路面更容易铺设,扩大和改变路径更容易引导,成本更低。缺点是需要在项目现场铺设大量光学设备,对环境条件要求高,且易磨损、需定期更新、维护成本高,导轨的可靠性受地面条件影响,导致定位精度低。光学导航适用于工作环境清洁、地面平整、AGV定位精度不高的场合。
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 [
光学导航是指在AGV小车的行驶路径上铺设光学设备,通过车载光学传感器获取图像信号识别来实现导航的方法,如下图5所示。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)。
图5. 光学导航AGV示意图
激光导航一般是指基于反射器定位的激光导航。AGV通过激光扫描仪发射出激光束,在行驶路径周围的多组反射器会将其直接反射回来,控制器通过旋转激光头得到反射器的角度值,从而计算AGV的绝对坐标 [
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。AGV在移动过程中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 [
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。
GPS (Global Positioning System)导航是指在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导航的主要优点是导航精度较高,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。主要用于汽车、轮船、手机等的定位,不适用于室内定位。
惯性导航使用AGV的内部传感器来获取位姿,主要有光学编码器,陀螺仪,或两者兼而有之。在装载有光电编码器的AGV运动过程中,利用编码器的脉冲信号进行粗略航位推算,确定AGV的位姿。使用陀螺仪可以得到AGV的三轴角速度和加速度,通过积分运算得到位姿信息,可以将两种航位推算结合起来 [
惯性导航的主要优点是在短时间内定位精度高,隐蔽性好,抗干扰性强。缺点是因为位姿信息需要经过积分操作得到,定位误差会随着运动时间累积,长期精度差,设备价格较高,开始使用时需要的初始校准时间较长。因此,一般情况下,惯性导航会作为其他导航方式的辅助定位。
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,来实现AGV小车运行的方法。所以,组合导航渐渐被人们所重视。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。
潘坚栋等 [
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。
吕俊燕等 [
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。
李凤娥等 [
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。
本文将AGV定位导航技术分别从“固定路径导航”、“自由路径导航”和“组合导航”三个方面进行讲述,重点分析了每种方法的理论基础、优缺点和应用现状。在智能生产与智慧物流的背景下,随着科学技术的发展,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。
国家自然科学基金青年基金“低计算量高精度半结构化环境视觉/惯性紧组合的AGV定位导航方法研究”(61803035)。
苏庆华,张娣娣,吴昊,秦振波. AGV导航技术综述Overview of AGV Navigation Technology[J]. 计算机科学与应用, 2022, 12(08): 1990-1997. https://doi.org/10.12677/CSA.2022.128200