AGV激光導航定位技術綜述與發展趨勢

文/徐京邦 劉洋 李計星 周宇 王凌云

自動導引車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)是現代制造企業物流系統中的重要設備，主要用來搬運各類物料，為系統柔性化、集成化、高效運行提供了重要保證。

激光導航AGV以激光雷達作為探測外部周圍環境的傳感器，從而進行導航定位。相比于其他導航方式，激光導航AGV具有較高的可靠性和柔性，廣泛應用于生產制造的各個領域。

一、導航方式的形式及特點

1.基于反射標記物的激光導航

在AGV行駛路徑的周圍布置足夠數量的激光反射標記物，激光雷達探測并識別反射標記物，從而進行導航。通常，激光反射標記物以反光板、反光柱的形式存在，如圖1、2。這種導航方式穩定可靠，定位精度高，算法復雜度較低，對外界環境的要求較低，應用廣泛。

圖1 條形反光板實物圖

圖2 圓柱形反光板實物圖

相比于其他導航方式，激光導航AGV具有較高的可靠性和柔性

2.基于外界自然環境的激光導航

這種導航方式又稱為自然導航，以AGV激光雷達探測到的輪廓信息作為參考，進行導航。相比于依賴反射標記物的激光導航方式，雖然自然導航的精度、可靠性相對較低（特別是在環境信息較為單一的情況下，如較長的走廊），算法復雜度相對較高，但是無需安裝激光反射標記物，減少了AGV系統的安裝調試時間，提高了AGV系統的柔性。

3.基于反射標記物和自然環境的復合式激光導航

復合導航，一方面利用周圍自然環境信息對AGV進行定位，一方面在環境可識別性較差或需要進行精確定位的站臺區域，布置反射標記物，求解AGV的實時位置。

相比于前兩種導航形式，復合導航的算法復雜度最高，需要考慮信息融合的問題，具體表現為AGV實時位置的綜合求解以及地圖信息的統一描述。

三 激光導航的關鍵性問題

1.定位與構建地圖

無論是物流倉儲的貨物分揀，還是生產制造的物料搬運，對于激光導航AGV而言，都需要在調試階段存儲完整的地圖信息，然后再投入運行，且運行階段可不對全局地圖進行修改或僅進行適當的修改。

獲取精確的地圖信息是十分重要的，直接影響到運行階段的定位導航精度。一方面可以通過多次靜態探測，將多幅局部地圖進行拼接，得到完整的地圖信息。另一方面，也可以通過同時定位與建圖（slam）得到完整地圖。

2.用于定位的內部傳感器

通過用于定位的內部傳感器（AGV舵輪的驅動、轉向編碼器，或者AGV的慣性測量單元等），可以對AGV位置進行求解。但是，這些內部傳感器難免存在一定的不足。為了提高定點停車的定位精度，需要改善定位算法，更重要的是，可以通過增強外界環境信息來提高定位精度。具體方法有如下幾種：

（1）增加反光板數量；

（2）在停車位置附近構建局部特定輪廓；

（3）引入磁釘、二維碼等導航方式；

（4）在AGV上加入視覺傳感器，掃描物料或托盤，實現AGV與目標物的精準對接?；诜瓷錁擞浳锏募す鈱Ш椒绞?，技術相對成熟。自然導航因其具有更好的靈活性，具有較大的發展潛力。基于上述兩種方式的復合式激光導航，同時兼顧可靠性與靈活性，具有極高的研究價值。

圖3 點云輪廓

三、激光導航的發展趨勢

1.導航方式復合化

在大部分行駛區域，AGV進行自然導航，在定位精度要求高的局部區域布置激光反射標記物進行導航。不僅如此，根據應用場合的需求，可以再引入磁條、磁釘、二維碼等導航方式，提高AGV的導航精度與可靠性。

2.行駛路線的柔性化

面向工廠的AGV需要做到高可靠性、高效性，因此，基本上都是沿著預先設計好的固定路徑行駛。如同火車必須沿著軌道行駛一般，雖然可以選擇軌道，但是不能脫軌。

對此，可以將AGV接近取放貨站臺的分支末端的固定軌跡取消，允許AGV在接近終點的區域根據當時的環境信息，進行自我規劃路徑。如此，一方面可以減少前期調試期間設計行駛線路的工作量，一方面也可以提高系統柔性，對在終點附近的障礙物有一定的避障作用。

3.導航信息模塊化

激光雷達基本的作用是通過探測周圍區域，獲取外界環境的輪廓，以點云的形式得到地圖信息，如圖3。有的激光雷達生產廠商，不僅提供了可配套兼容的驅動器及編碼器，還增添了獨立的導航模塊，導航模塊內置定位算法，可以得到優化后的地圖信息和AGV的實時位置，減少了研發人員二次開發的難度，縮短開發周期。

四、總結

激光導航AGV具有較高的可靠性、精準性、靈活性，能夠適用于大部分的生產領域?；诜瓷錁擞浳锏募す鈱Ш椒绞?，技術相對成熟。自然導航因其具有更好的靈活性，具有較大的發展潛力。基于上述兩種方式的復合式激光導航，同時兼顧可靠性與靈活性，具有極高的研究價值。

地圖構建是激光導航AGV十分重要的內容。激光導航結合AGV內部定位傳感器可以獲得更好的導航質量。在激光導航的基礎上，引入新的導航方式用以輔助，配合外部環境添加的額外特定輪廓，可以使定位精度和可靠性進一步提升。

由于激光導航AGV具有較大的市場需求和較為廣闊的應用場景，AGV激光導航技術還應不斷提升和完善。未來的激光導航AGV，導航方式復合多樣化，行駛路線更加靈活自由，導航信息的獲取和使用更加方便，便于開發調試人員以及生產操作人員的使用和維護。