SLAM導(dǎo)航AGC在整車廠的應(yīng)用

俞鑫

（上汽通用汽車有限公司,上海 201206）

SLAM導(dǎo)航技術(shù)已進(jìn)入人們的日常，最典型的例子是掃地機(jī)器人和無(wú)人駕駛汽車，但運(yùn)用SLAM導(dǎo)航技術(shù)的AGC目前卻并不多見(jiàn)。高昂的硬件成本以及尚不成熟的軟件算法，都成為SLAM導(dǎo)航AGC推廣、普及的直接壁壘。近些年來(lái)，隨著國(guó)家“中國(guó)制造2025”不斷推進(jìn)，在制造行業(yè)內(nèi)，一線生產(chǎn)設(shè)備正逐步從自動(dòng)化向更高端的智能化要求升級(jí)。因此SLAM導(dǎo)航AGC在整車廠應(yīng)用如何克服壁壘，是否適用于整車廠復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，除了新穎“黑科技”的既視感它還能給我們汽車整車廠帶來(lái)什么直接的、潛在的收益，都顯得具備著研究?jī)r(jià)值。

1 SLAM技術(shù)

1.1 概述

什么是SLAM，大部分人只知道它是一種新的導(dǎo)航技術(shù)，但并不清楚它的具體含義。它的英文名稱是Simultaneous Localization And Mapping ，中文名稱 “同步定位及建圖” 。SLAM技術(shù)主要包含了同步定位和建圖兩個(gè)環(huán)節(jié)，事實(shí)上是先在自身位置不確定的條件下,在完全未知環(huán)境中創(chuàng)建地圖,再同時(shí)利用地圖進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。本文將首先從硬件和軟降邏輯上來(lái)介紹SLAM技術(shù)。1.2 硬件

圖1 SLAM傳感器分類

SLAM實(shí)現(xiàn)建圖和定位的硬件基礎(chǔ)，按傳感器種類來(lái)分，主要有激光SLAM和VSLAM（視覺(jué)SLAM）兩大類。其中，激光SLAM比VSLAM起步早，在理論、技術(shù)和產(chǎn)品落地上都相對(duì)成熟，是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法。VSLAM目前尚處于進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用場(chǎng)景拓展、產(chǎn)品逐漸落地階段。常見(jiàn)的激光雷達(dá)有單線雷達(dá)和多線雷達(dá)，角分辨率及精度各有千秋；常見(jiàn)的視覺(jué)攝像頭分為單目、雙目、單目結(jié)構(gòu)光、雙目結(jié)構(gòu)光、TOF等幾大類。

激光SLAM主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，VSLAM在室內(nèi)外環(huán)境下都能運(yùn)行，但對(duì)光的依賴程度較高,無(wú)法應(yīng)用于光線較暗或者無(wú)紋理的區(qū)域。若結(jié)合控制器運(yùn)算成本綜合來(lái)考量，目前激光SLAM還是有較明顯優(yōu)勢(shì)的，后文也會(huì)從激光SLAM的原理和應(yīng)用來(lái)進(jìn)一步分析。

1.3 建圖及定位

在SLAM AGC運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)激光雷達(dá)掃描周邊環(huán)境，用以描述車間工作空間的二位平面特征。SLAM導(dǎo)航AGC在整車廠內(nèi)運(yùn)用須首先在車間內(nèi)把可能運(yùn)行的環(huán)境空間全部掃描一遍，建立起基礎(chǔ)地圖并保存，同時(shí)在地圖的數(shù)學(xué)模型上建立好最小分辨率的坐標(biāo)系。有了基礎(chǔ)地圖后，AGC實(shí)時(shí)運(yùn)行并掃描周邊環(huán)境，通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)、里程計(jì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，依據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位。至此，AGC小車建立了自己的地圖，知道了自己在地圖中的定位，并能通過(guò)激光雷達(dá)感知小車周圍的環(huán)境，要完成小車的運(yùn)行動(dòng)作就差實(shí)現(xiàn)小車的導(dǎo)航。

1.4 導(dǎo)航

導(dǎo)航就是讓AGC小車從基礎(chǔ)地圖的某個(gè)起始點(diǎn)A按照一定規(guī)則的路徑運(yùn)行到達(dá)另一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)B，其中實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航算法是核心難點(diǎn)。要獲取小車的實(shí)時(shí)精確定位，須將激光雷達(dá)掃描所獲取的周邊環(huán)境數(shù)據(jù)與之前建立好的基礎(chǔ)地圖進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)小車周邊環(huán)境發(fā)生變化在基礎(chǔ)地圖上無(wú)法比對(duì)出定位怎么辦。為了解決這個(gè)問(wèn)題，SLAM導(dǎo)航引用了蒙特卡洛算法，它將AGC小車周邊環(huán)境轉(zhuǎn)成各種粒子，且賦予不同的權(quán)值，離AGC小車越近或越為固定可靠的粒子權(quán)值會(huì)越高，且在實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)反復(fù)采樣計(jì)算權(quán)值，加權(quán)后的采樣粒子從最大限度上降低甚至屏蔽了部分周邊環(huán)境變化對(duì)小車定位的影響。只要激光雷達(dá)自身采集的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，小車的定位理論上就是精準(zhǔn)的。但當(dāng)激光雷達(dá)自身采集數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，就會(huì)直接導(dǎo)致小車定位不準(zhǔn)，因此實(shí)際定位時(shí)還引入了里程計(jì)和陀螺儀等相對(duì)定位設(shè)備。相對(duì)定位設(shè)備通過(guò)計(jì)算小車相對(duì)于初始位置的距離和方向來(lái)確定小車當(dāng)前的位置，該相對(duì)位置會(huì)與激光雷達(dá)測(cè)算的絕對(duì)位置按一定的置信度結(jié)合后得到小車的輸出定位數(shù)據(jù)。當(dāng)下主流SLAM導(dǎo)航小車定位精度很難達(dá)到磁條導(dǎo)航等10mm以內(nèi)精度。

導(dǎo)航算法建立在實(shí)時(shí)定位的基礎(chǔ)之上，從基礎(chǔ)地圖的起始點(diǎn)A到目標(biāo)點(diǎn)B，可以是固定不變的點(diǎn)A和點(diǎn)B，也可以是隨機(jī)指定的點(diǎn)A和點(diǎn)B。如果是固定點(diǎn)，須要在基礎(chǔ)地圖上提前給出A和B的坐標(biāo)以及從點(diǎn)A到點(diǎn)B的期望運(yùn)行路徑，激光雷達(dá)實(shí)時(shí)感知周邊環(huán)境，使小車的坐標(biāo)隨基礎(chǔ)地圖上規(guī)劃好的路徑運(yùn)行。如果是隨機(jī)指定的點(diǎn)A和點(diǎn)B，首先要在基礎(chǔ)地圖上根據(jù)算法規(guī)劃出一條短安全的全局路徑，實(shí)際運(yùn)行時(shí)AGC小車會(huì)盡量跟隨全局路徑，同時(shí)依據(jù)A*算法考慮AGC小車的允許運(yùn)行區(qū)域、路徑長(zhǎng)短、到達(dá)目的地的障礙物規(guī)避等因素，在限定范圍內(nèi)偏離全局路徑。

圖2 SLAM AGC自主導(dǎo)航

2 整車廠應(yīng)用

2.1 概述

大致介紹了SLAM導(dǎo)航的原理，我們認(rèn)知到SLAM導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵是激光雷達(dá)、定位與導(dǎo)航的算法，無(wú)須對(duì)運(yùn)行環(huán)境做任何的施工或者改造，相較其他傳統(tǒng)導(dǎo)航還是存在一定的優(yōu)勢(shì)的。與之形成對(duì)比的是磁條導(dǎo)航AGC須要在車間里提前規(guī)劃、布置磁條路徑帶以及保護(hù)磁條的膠帶。本文將著眼于多個(gè)維度來(lái)分析SLAM導(dǎo)航AGC在整車車間的應(yīng)用的優(yōu)、劣勢(shì)。

2.2 前期施工

磁條導(dǎo)航為了避免整車廠車間內(nèi)的其他車輛對(duì)磁條造成破壞，須要在車間地面開(kāi)槽預(yù)埋磁條或者在貼好的磁條上鋪設(shè)一層保護(hù)膠帶。SLAM導(dǎo)航前期須要做的是掃描構(gòu)建車間環(huán)境地圖，并且在控制器內(nèi)做好坐標(biāo)維護(hù)，更多的是軟件維護(hù)工作。

2.3 后期維護(hù)

磁條導(dǎo)航的磁條在后期應(yīng)用中須要定期檢查和維護(hù)，長(zhǎng)時(shí)間受其他物流車輛碾壓后產(chǎn)生斷裂損壞的情況就必須更換。SLAM導(dǎo)航的后期維護(hù)量較小，只須確認(rèn)基礎(chǔ)地圖坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性。

2.4 應(yīng)用成本

磁條導(dǎo)航須要磁感應(yīng)器成本在數(shù)千元，磁條和保護(hù)帶的鋪設(shè)成本約100元每米。SLAM導(dǎo)航的硬件基礎(chǔ)是激光雷達(dá)，通常成本在萬(wàn)元以上，同時(shí)大量的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試工作，導(dǎo)致其應(yīng)用成本非常高。

2.5 技術(shù)成熟

磁條導(dǎo)航技術(shù)在整車廠內(nèi)廣泛應(yīng)用，尋跡運(yùn)行且磁條軌跡目視化程度高，穩(wěn)定性較好。SLAM導(dǎo)航基于激光雷達(dá)，抗粉塵性較差，算法復(fù)雜且不斷更新，程序穩(wěn)定性存疑。

2.6 適用環(huán)境

磁條導(dǎo)航環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，通常只受金屬物磁化干擾。SLAM導(dǎo)航目前更多運(yùn)用于微電子行業(yè)無(wú)塵車間，整車廠運(yùn)用案例較少，適用性有待驗(yàn)證。

2.7 小結(jié)

綜合來(lái)看，SLAM導(dǎo)航AGC在前期施工量、后期維護(hù)成本上有明顯的優(yōu)勢(shì)，避免了很多磁條導(dǎo)航AGC在整車廠應(yīng)用的弊端，但是在成本、技術(shù)成熟性上并沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)還是極具研究?jī)r(jià)值的。如果未來(lái)SLAM在使用量上升后，能充分降低硬件、軟件成本，它推廣普及的壁壘也會(huì)隨之降低。

3 試點(diǎn)案例

3.1 背景

SLAM導(dǎo)航AGC運(yùn)行于某總裝車間，將運(yùn)入車間的料車根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間推算，在生產(chǎn)線線邊物料用盡時(shí)將替換物料運(yùn)輸至線邊，并將空料車取回。

3.2 問(wèn)題及建議

SLAM算法非常復(fù)雜，經(jīng)簡(jiǎn)化后為包含路徑、目標(biāo)點(diǎn)、障礙物三個(gè)參數(shù)的代價(jià)公式來(lái)計(jì)算局部路徑。障礙物的權(quán)重在三者中必須最高，否則AGC小車會(huì)以較低的速度靠近障礙物，直至相撞。但障礙物權(quán)重若設(shè)置過(guò)高，小車又會(huì)突發(fā)性地偏離全局路徑，易直接觸發(fā)安全防護(hù)裝置。筆者認(rèn)為只有充分地研究整車廠車間內(nèi)的復(fù)雜情況，通過(guò)反復(fù)的調(diào)整、測(cè)試、驗(yàn)證，才可能獲得安全的、理想的運(yùn)行路徑。

激光SLAM不擅長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中的定位，也不擅長(zhǎng)在相似的幾何環(huán)境中工作。整車廠車間內(nèi)恰好料架拖動(dòng)頻繁又有很多相似的直線車道，因此SLAM導(dǎo)航AGC運(yùn)行容易丟失定位。為了避免SLAM導(dǎo)航AGC丟失定位，除了采取前文所提到的蒙特卡洛算法，里程計(jì)、陀螺儀綜合定位外，在一些相似度較高的地方還增添了固定參照物來(lái)輔助定位，既避免了丟失定位的情況，也提高了SLAM的定位、導(dǎo)航精度。但這同時(shí)這也意味著須要定期維護(hù)固定參照物，SLAM導(dǎo)航AGC一定程度上失去了自己免維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為如何徹底擺脫輔助定位會(huì)是未來(lái)激光SLAM技術(shù)的重點(diǎn)研究方向和突破。

由于SLAM導(dǎo)航技術(shù)沒(méi)有目視化的運(yùn)行路徑，還須要在車間內(nèi)不同位置做好相應(yīng)的目視化提示標(biāo)志，加強(qiáng)交通管制并通過(guò)清晰可見(jiàn)的交通燈管制其他物流車輛，充分利用聲光報(bào)警等提醒措施來(lái)最大限度地規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)，使SLAM導(dǎo)航AGC在安全的前提下持續(xù)運(yùn)行，積累運(yùn)行數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究介紹了SLAM導(dǎo)航技術(shù)的主要環(huán)節(jié)：建圖、定位和導(dǎo)航，經(jīng)過(guò)分析推薦在整車廠使用激光SLAM導(dǎo)航方案。之后對(duì)比了SLAM導(dǎo)航與傳統(tǒng)磁條導(dǎo)航的多方面性能，肯定了在整車廠應(yīng)用SLAM導(dǎo)航的價(jià)值。最后借試點(diǎn)案例，總結(jié)了實(shí)際應(yīng)用時(shí)得出的部分經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的應(yīng)用提出建議。同時(shí)筆者相信憑借著SLAM技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì)，再伴隨傳感器技術(shù)、智能算法的不斷進(jìn)步，SLAM導(dǎo)航AGC也會(huì)完成進(jìn)化，更多地出現(xiàn)在整車廠中，也將更適用于整車廠中，成為工廠智能化的重要一環(huán)。