建筑工地經濟型智能AGV二次搬運平臺關鍵技術探討

王嘉 羅苗 施彬 王黎立

摘要：采用多模傳感與圖像融合技術克服了環境光對機器視覺系統的影響，提高了AGV視覺導航精度，保障了運輸安全；通過交互操作，可自由切換智能小車操控模式，實現了小車能夠自由進出電梯等特殊場所作業，為建設工程中的智能二次搬運提供了新的思路。

關鍵詞：建筑工地； AGV； 智能搬運； 視覺導航

中圖分類號：TU689文獻標志碼：A

0引言

隨著電子、網絡等信息技術的不斷革新，AGV技術進入高速發展階段，由于AGV具有高智能、高性能、機械化程度高、綠色、低成本等特征，在汽車行業［1-2］、家電制造業［3-4］、物流業［5-6］等領域得到廣泛應用。建筑工地等土木行業施工現場的二次搬運作業多為機械的重復性勞動，且工作環境有一定的危險性，地面一般都作了硬化處理，這些特點也很適合發展經濟型智能AGV二次搬運平臺技術。AGV智能小車可取代人工搬運作業方式，減少勞動力，降低人員作業風險，確保施工安全，在建筑與土木工程領域具有很大市場發展前景。

故而國內外大多學者對AGV智能搬運展開了大量研究。武增禮等［7］將AGV智能搬運技術合理運用于煤礦工程，基于導航定位系統和圖像識別技術實現了煤樣的智能收集；世家偉等［8］依托某公司生產的鋅錠智能搬運AGV為例，借助數值仿真建模驗算了基于改進蟻群算法AGV路徑規劃方法的高效性和實用性；Fazlollahtabar等［9］ 綜合考慮了時間、成本、能力等因素，通過計算機集成制造系統的優化設計，建立了自動導引車（ AGV ）路徑問題網絡中的最優路徑；Michiko等［10］提出了一種基于特征場景識別與獲取的新方法，場景識別與獲取采用稀疏分布式記憶神經網絡（ SDM ），根據識別和獲取的場景，利用Q-learning對AGV的導航路徑進行學習，此方法實現了可驅動多臺AGV自主地在工廠的機床之間運送原材料作業；牟勝輝等［11］在前人研究的基礎上，結合理論計算和現場實踐的研究方法設計出了AGV貨架搬運機器人，為物流倉儲行業的智能化運輸提供了參考價值；任培華［12］大量調研了目前國內外AGV小車在智能搬運中存在的問題，通過歸納分類總結，最終提出了改進機械結構的方法來提高AGV智能小車的搬運效率，現場實際驗證了優化后AGV小車的高效性和實用性；高成沖等［13-14］通過現場實例研究發現基于機器視覺的AGV設施布置規劃能夠有效降低物流運輸成本，縮短產品上市周期.；黃畫恒等［15］結合機器人操作系統（ ROS ）、Visual Studio開發搬運車控制系統和Jetson nano運算平臺研發了新型AGV智能搬運車，研究結果表明該智能AGV小車能夠完成日常貨物搬運目標，現場實踐驗證了方案的可行性。

綜上，國內外學者對AGV智能搬運小車的研究主要集中在機器視覺、路徑規劃、搬運效率等方面，研究領域主要為汽車行業和物流業，而目前將機器視覺、導航定位、智能交互以及自主安全意識等新技術新方法應用于建筑工地AGV二次搬運平臺的研究還較少。本文提出了經濟型智能AGV二次搬運平臺為建設工程中的二次搬運提供了新的思路。AGV智能搬運在建筑工地上的應用可提高施工現場的二次搬運效率與安全性，有利于施工企業降低施工成本，實現減員增效；同時有助于相關部門提高安全管控能力，減少安全事故、人員傷亡的發生概率，有利于推動智慧工地的數字化信息化管理建設，具有良好的應用前景。

1建筑工地智能AGV功能需求

1.1低成本移動平臺

建筑工地二次搬運移動平臺應用的場地，不像室內車間和倉庫的場地那樣平整，且場地內部雜物堆積，因此要考慮其具有一定的爬坡和越障能力；同時要能實現自主進出電梯的需求，就需具備小空間原地旋轉移動能力，實現對施工電梯主動呼叫功能。

目前實際應用中的電動助力型小車的控制機構，均移植于電動自行車的旋把式速度控制方式。但將這種控制方式用在人車分離的助力式電動手推車上，若出現緊急情況，小車不易控制，存在安全隱患，故而在一些特殊情況下移動平臺需要現場人工操作。

如圖1所示，目前已完成低成本移動平臺的結構設計，主體結構加工組裝完成，考慮穩定性和轉向靈活性，系統設計的額定載重為500 kg，接近角45°與離去角60°。

1.2定位導航系統

建筑工地的環境有別于車間倉庫，建筑工地場地看似有結構化場地的屬性，實則差異較大，建筑工地隨著建設進度的推進場地形態逐漸發生變化，這要求地圖的建圖方式要充分考慮這一特點，同時建圖應是一個動態的過程，不像車間廠房中的一次固定建圖方式。

另外車間廠房內的物品多為垂直，且地面平整，在這些場景中的主流的地圖建圖定位采用單線激光雷達，而建筑工地環境地面材料堆放形態隨機，加之地面平整度欠佳，這導致移動平臺運動中會有一定的顛簸及傾斜變化，這對單線激光掃描的建圖定位方式帶來了極大的誤差，因此需要研究更合適的建圖、定位與導航方式與算法。

1.3自主安全意識

建筑施工作業中為提高工作效率，理想的模式是多個機械設備能并行工作，提高場地的使用效率，在此環境下移動平臺能安全可靠地在場地上完成搬運任務就要求其具有自主的安全意識，利用機器視覺結合噪聲分析，識別移動路線上人與設備運動趨勢，及時進行移動速度及路線的調整。

1.4人機交互接口

為了在上位機上調出移動平臺所在場所的二維電子地圖，并在圖上標出目標位置，下發給移動平臺并啟動移動，上位機只能看到移動平臺的位置以及移動方向速度。為了能更好地監測管理上位機能在后臺實時接入移動平臺獲取周邊環境視覺與噪聲信息，并視情況遠程接管操控移動平臺，考慮遠程操控的時延性，可研究以降低信號延遲的本地與遠程的移動平臺操控融合。

2智能AGV二次搬運平臺關鍵技術

2.1三維重建精度實現技術

安全可靠的導航應用需要遠近大范圍的三維重建，考慮經濟性及遠近不同精度的需求，可研究合適的解決方案，比如組合利用單多目相機、環境中的先驗知識的以及AGV轉運平臺的里程計以及經濟型的本地計算能力，最終獲得匹配工地環境AGV轉運平臺所需的最優三維建模時空分辨精度的解決方案。

2.2經濟建圖定位技術

建圖定位按照精確性和抗干擾及全天候環境適應性，實現的技術手段不同，導致建圖定位成本差異巨大。綜合考慮建筑工地二次搬運這一特殊應用場景，系統的經濟性是重要的考慮點，因此采用在現有技術中融合一種經濟實用的建圖定位技術，是未來的發展趨勢。

借助實驗室已有重載AGV平臺，在工地環境先行搭載多種定位設備，采集數據，測試UWB、GNSS-RTK以、激光雷達、組合單目多目視覺測距技術的實用性，如圖2所示，通過實測數據對比分析，決出最優視覺定位導航算法系統。

2.3自主安全意識算法

自主安全意識是實現智能AGV二次搬運平臺移動安全性的一個新技術，它組合了機器視覺動作捕獲分析人的運動趨勢，同時對周邊空間環境的障礙物機器運動趨勢進行分析識別，并結合一定的推理機制，進而使移動平臺具有一定的安全意識，并基于此采取簡單的聲像交互與運動控制來避免、減少安全事故的發生。

基于RGB-D相機對環境目標識別、動作捕獲以及麥克風陣列的聲源定位與噪聲分析抑制處理。如圖3所示，在經濟型移動平臺研制的同時，利用已有的重載AGV平臺，搭建具有近距離雙目高精度主動三維成像與遠距離的單目大范圍較低精度的三維獲取的RGB-D相機，應用機器視覺與噪聲分析算法，與機器學習推理和動作捕獲技術，并融合窄波束超聲測距，實現經濟型移動平臺的初級安全意識分析特色功能。

2.4經濟型移動平臺與交互操作

綜合考慮成本及使用環境因素，移動平臺擬采用三輪方式，其中兩個差速驅動輪，一個被動萬向舵輪，為增強移動平臺在坑洼地面的移動性能，舵輪可升級為主動輪。

為支持進出電梯的需求，增加高性價比舵機實現多自由度的機械手臂實現基本的交互操作，典型的如按施工電梯的呼叫按鈕，另可擴展簡單的手勢交互。在控制方面實現自動/遙控（圖4）/人工三種控制模式自由切換，同時為提高助力模式時的操控安全性，將人工助力的控制把手改造為更符合人體工學的力感方式。

3技術革新

3.1目前研究的不足

目前國內外學者在機器視覺、建筑機器人等方面研究方向，特別是利用機器視覺在建筑墻、地面施工方面，已取得顯著研究成果，在智能建筑機器人、機器視覺、定位導航、信號處理及軟件編程方面積累了寶貴的經驗。但將研究結果直接用于建筑工地智能AGV二次搬運卻存在幾點缺陷：

（1）環境光是影響機器視覺系統輸入的重要因素，因為這直接影響輸入數據的質量和應用效果。環境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數據存在噪聲。

（2）雨霧及玻璃等透明體也會影響基于可見光的機器視覺的應用效果，通常采用后期圖像處理進行增強、去噪，同時進行空洞補償，但這些不可避免的造成誤差。

（3）智能AGV二次搬運平臺自主移動進入施工電梯存在安全風險，并與現行的施工電梯安全管理制度有一定沖突。

3.2應對策略

綜合考慮現有技術及經濟成本，本項目采用多模傳感與圖像融合技術克服現有技術缺點。通過AI技術將一般攝像頭拍攝的可見光圖像與可穿透雨霧的電磁波雷達有效合成，同時采用超聲波測距應對光和電磁波具有穿透性的障礙物，系統運行雖然不能達到理想的精度和效率，但可保障安全性。

為使二次搬運平臺自主乘坐施工電梯符合安全管理制度，設置移動平臺的手動模式，可退出自動模式采用手動模式進入電梯，關閉二次搬運平臺電動車的車輪驅動系統電源，手動拉起二次搬運平臺的機械剎車，滿足施工電梯乘坐安全規范要求。

4結束語

本文采用多模傳感與圖像融合技術克服了環境光對機器視覺系統的影響，提高了AGV視覺精度，保障了運輸安全；通過交互操作，可自由切換智能小車操控模式，實現了小車能夠自由進出電梯等特殊場所作業，為建設工程中的智能二次搬運提供了新的思路。

參考文獻

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［作者簡介］王嘉（1983—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑施工技術方面工作。

［通信作者］羅苗（1992—），女，本科，工程師，主要從事建筑施工技術管理工作。