智能化物流搬運機器人（AGV）的探討*

孫 健，吳建美

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

AGV屬于一種無人駕駛且擁有搬運功能的自動導航裝置，其能夠依據預設好的程序，并依照車載傳感器給定的位置信息，沿著規劃好的路線自動進行移動與停靠，已被廣泛應用到許多生產物流場合以及具備自動化功能的立體倉庫貨庫的自動搬運中[1]。近年來，隨著經濟快速發展，人們生活需求也越來越多，傳統的物流搬運已經不能滿足人們需求[2]。并且傳統的物流搬運需要花費大量人力，很多物流行業在前期因要花費大量人力與時間而難以發展起來。將裝有AGV的物流搬運機器人運用到物流行業中，可以減少物流業人力與時間的消耗，減少物流業發展壓力。物流業只需將物流搬運機器人布置好，后期定期檢查搬運機器人，幾乎完全解放了人力，這種工作方式不僅能減少物流業的消耗，而且能夠適應當代行業發展潮流。

1 AGV的組成

AGV的組成包括內部車身、步行控制系統、通訊系統和聲光報警系統等[3]。AGV的車身是AGV的物理主體部分，由車架和相應的機械裝置所組成，是其他總成部件的安裝基礎。當AGV小車在行駛中或在加速和減速期間，框架必須滿足所需的剛度和強度要求，且在達到剛度和強度要求后，需要較大的空間裝配LCD屏幕電源插頭、電氣產品的控制設備、頂部運輸設備和組件等。AGV步行控制系統是直接驅動執行系統中的主設備，借助這種控制裝置可以根據更多用戶的市場需求正常驅動AGV，并可以隨時制動。通訊系統用于實現AGV與地面控制站及地面監控設備之間的信息交換，通訊系統通常有兩種模式可供選擇：連續通訊和漂移通訊。當AGV以兩種模式與車輛狀態通信時，與主機的通信將中斷，因此可以從頭到尾使用它，在可監控圖片的當前狀態下保持良好的AGV狀態；當AGV車處于通訊模式時，AGV小車與主機的通訊將完全是自主的，并且可以直接交換各種信息。聲光報警系統是一種報警信號裝置，該裝置主要通過聲音和各種光來向人們發出示警信號。

2 AGV系統的導航方式

AGV更多的是關系到整個物流運輸系統的靈活性，它極大地影響了系統的穩定性、可靠性和經濟發展。因此，AGV系統實現的移動導航方法是一個非常重要的組成部分。正因如此，近年來國內外知名人士對AGV系統中的路徑導航方法的深入研究仍然相當活躍。許多基層科技工作者將各種高科技技術相結合，明確提出了許多令人耳目一新的導航地圖方法。這積極推動了AGV導航核心技術的快速發展。到目前為止，AGV系統實現中最常用的方法包括激光束地圖導航、電磁脈沖手機導航、視覺感知GPS導航等[4]。

2.1 激光束地圖導航

目前，成熟的制導方法是脈沖激光路徑導航。激光束地圖導航的基本原理是：在工作現場固定由材料制成的具有高反射率的指示牌，然后在AGV上安裝脈沖激光直接掃描儀，再掃描脈沖激光。受到標記光反射的周圍激光束的引導，通過分裂鉆石的基本原理計算AGV的方位角與實際情況之間的距離，可以計算出AGV車輛的位置，全局建立坐標系中的車身坐標位置，以實現AGV的導引。它不需要像磁帶路線導航那樣在地面上鋪設設施。脈沖激光導航地圖算法的實現已經非常成熟，并且可以非常精確地定位。這種GPS導航方法仍被更廣泛地使用，并且AGV也被各種手機制造商所追求。如今隨科技的發展，這種導航方式也越來越普及。若物流搬運機器人AGV系統運用這種導航方式，能夠準確的定位，將貨物準確的搬運至指定目的地，且能大概率減少機器人發生碰撞情況的發生，能夠大幅提高物流搬運效率。

2.2 電磁脈沖手機導航

在膠帶式手機導航中，膠帶管道鋪設在道路上，而在發電機路線導航中，電線準備預先埋在地下室中。相反，電磁地圖導航方法具有較高的靈活性，并且可以更輕松更改地圖導航。這種導航地圖方法由于盒式磁帶被放置在地面上，因此很容易損壞或弄臟。這種方法也容易受到外部不確定性影響。由于磁帶導航地圖方法對環境有非常嚴格的要求，必須將環境附著在地面上以具有更好的基本條件。這種導航方式相對于其他方式來說布置較簡單，也是很多物流行業所選擇的導航方式。

2.3 視覺感知GPS導航

視覺感知GPS導航的工作原理是：使用CCD后編輯機快速獲取AGV駕駛車輛圖像信息的內容，然后獲取包括計算機視覺感知的實時數據，進行處理以定位AGV，在一個方向上駕駛車輛，這種路線導航方法有兩種：固定路線方法和自由路線方法。可以固定改變方式。一般而言，CCD安裝在AGV車身的前方，視線在AGV前方的道路上。同時，AGV有一條導航標記線，可以在車輛領域進行識別。AGV可以根據捕獲的手機導航標記圖像數據實時準確識別GPS導航線，并自動彎曲車輛的基本行駛路徑。如果AGV系統中存在相對較好且持續有效的機器學習算法，則AGV可能難以自動識別有關其實現路徑的各種信息。如今，許多研究機構和高校也在通過從多個角度捕獲圖像數據來研究具有多個CCD攝像機的AGV系統。通過計算機視覺感官的主要原理來合成靜態圖像的三維信息內容，不僅可以看到周圍的事物，還可以測量AGV對象的形狀和物體的距離。隨著CCD攝像機和微型處理器的發展，電子計算機視覺感知制導方法以其較低的市場價格、更高的精度和更大的靈活性而受到越來越多的關注。

3 導航標示線的圖像處理

3.1 導航的基本原理

白色標記線在地面上，兩條白色標記線在邊緣水平。然后使用照相相機捕獲GPS導航標記線，再使用人工智能算法處理圖像內容以獲得導航地圖標記線的邊緣。機器學習算法根據導航地圖標記線直接提取最終的移動導航數據，并直接用于確定汽車頭部相對于標記線的位置和姿態，從而使導航地圖信息編號為傳輸到運動和控制系統。搬運機器人通過導航能夠將貨物準確、安全的運送至目的地，基本實現自動化。

3.2 導航標示線的閾值分割

在此研究中使用了單色相機，獲得的彩色圖像為黑白圖像。如果通過圖像增強操作顯著增強了各種彩色圖像，則靜態圖像的質量將不會得到顯著改善，并且將花費大量時間，這不利于視覺體驗。地圖導航系統中不需要實時處理。因此，在本研究中，首先獲得了地圖導航圖分析。對于彩色圖像分離，各種圖像分割方法的定義是將圖像數據的主要特征（例如顏色、灰度、3D形狀以及更多的空間紋理）劃分為許多非隔行掃描區域。不同區域內各種花型的顯著特征應更一致或更相似，不同區域之間的差異應更明顯。必須達到的理想效果是將非常感興趣的事物放在圖像的很大一部分中，并從靜態圖像中獲得分割方法，這為后續處理奠定了堅實的基礎。

在現實生活中，大多數封面圖片也可以通過其典型的色彩特征來區分。在我國目前的自動機器視覺感知領域，利用不同顏色特征對圖像數據進行分割和后續處理仍然是市場的主流。利用整體顏色顯著性特征對靜態圖像進行處理，涉及到各種圖像在顏色上的組合表示。每種模式都有自己的特點，應根據具體問題建立一個能代表物體顏色的整體色彩模型。閾值分割是一種非常經典的圖像數據分割方法。該方法的最終數據量小，人工智能算法比較穩定，實現簡單方便。因為在靜態圖像分割的核心領域中，這種通用方法顯然是使用最廣泛的方法，這是最基本的分割方法。根據靜態圖像的像素特性，很明顯每個像素都有不同的閾值，并且彩色圖像分為幾個部分。通常會使用算法來實現色標或從原始靜態圖像獲得典型色彩特征，從各種原始自然圖像的色彩平衡顯著特征或變換后的顏色特征的顯著特征中獲得的一些主要特征。將靜態圖像分為兩部分是計算機視覺中所有處理方法的先驅。在圖像內容分割的過程中，關鍵是如何選擇最合適的閾值。在圖像內容的白線區域和背景環境區域中，相同區域中的像素在坐標定位位置和灰度級時具有良好的高度統一性和連接性。用于主要區域總體規劃的全局閾值方法的意識形態概念是以組合形式處理像素域的基本特征，這是基于用戶像素的常見方法。

4 AGV的設計思路

物流搬運機器人AGV是電學、光學、控制學和自動化等多種學科交叉的一種復雜智能化機器[5]。AGV的設計主要分三步進行，分別為傳感系統、控制系統和執行系統。AGV的總體構成如圖1所示。傳感系統包括二維碼識別、圖像識別和路徑規劃，控制系統包括通訊模塊、驅動模塊和報警模塊，執行系統包括抓取動作和行走動作。通過系統之間的相互協調與配合，可以實現物流搬運機器人自動獲取信息、自主抓取物品、按規劃路線行走及物流搬運等功能。在設計AGV的過程中，要充分考慮到這三大組成部分之間的聯系，繼而設計出符合設計條件的AGV機器人。

圖1 AGV總體構成

5 結束語

AGV是具有搬運功能的智能型運輸工具，其在多個學科技術的綜合運用下通過智能傳感器對外界的環境進行了感知，然后再將各傳感器之間的信息整合使用中央處理器對整理后的信息進行計算，從而得出結果。隨著經濟與科技的發展，傳統物流搬運將被時代所淘汰，新型的物流搬運機器人將會在嶄露頭角。若將AGV充分運用于物流搬運機器人中，將會大幅提高物流行業的發展水平，也將推動中國經濟的發展。文章介紹了物流搬運機器人AGV系統的組成，繼而對三種不同的導航方式進行特征描述，在此基礎上講解了導航標示線的圖像處理，提出了AGV的設計思路。展望未來，裝有AGV系統的物流搬運機器人相對于傳統的搬運機器人來說，有很高的自動化能力，這能夠有效減少物流業人力與時間的消耗，減少物流業發展的壓力。隨著時代的發展，智能化物流搬運機器人終將會普及到所有的物流行業中，為相關行業發展助力。