激光SLAM導航AGV系統架構及應用實踐

摘 要：物流系統作為智能工廠的“血管”，是決定工廠“新陳代謝”效率的核心組成部分，對工廠生產模式和生產效率有直接的影響。隨著物流裝備技術的發展，物流自動化、智能化、黑燈化技術的應用對工廠生產效率的提升作用越來越顯著。文章介紹了一種基于激光即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM）導航的自動引導車（Automated Guided Vehicle， AGV）物流裝備以及在通信設備制造工廠中的應用架構，通過該實踐，工廠提升了產能、節省人力開支、降低能耗，提升物流自動化總體水平，提高企業效益。

關鍵詞：激光SLAM；AGV；物流自動化

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）02-0163-08

Architecture and Application Practice of Laser SLAM Navigation AGV System

CAI Dong1， LI Chenyang1， LING Li1， WANG Ting1， ZHANG Jian2

（1.ZTE Co.， Ltd.， Xi'an 710111， China; 2.ZTE Co.， Ltd.， Shenzhen 518057， China）

Abstract： As the “blood vessel” of a smart factory， the logistics system is the core component that determines the “metabolism” efficiency of the factory， and has a direct impact on the production mode and efficiency of the factory. With the development of logistics equipment technologies， the application of logistics automation， intelligence， and black lighting technologies has become more and more significant in improving factory production efficiency. The paper describes an AGV logistics equipment based on laser SLAM navigation and the application architecture in the communication equipment manufacturing factory. Through this practice， the factory improves the production capacity， saves the manpower expenditure， reduces the energy consumption， improves the overall logistics automation level， and improves the enterprise efficiency.

Keywords： laser SLAM; AGV; logistics automation

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2025.02.031

0 引 言

在通信設備制造工廠中，物料需要在原材料庫、線邊倉、生產線、半成品庫、成品庫等環節進行周轉，在傳統工廠中，主要通過人工叉車、周轉車、人工搬運等手段進行周轉，存在搬運效率低、配送不及時、人工投入多、工作強度大等問題。

基于上述問題，本文提出一種基于激光SLAM導航的AGV物流設備及應用方案，可實現高效、精準、無人、黑燈化配送，有效解決上述痛點問題，提升工廠物流自動化水平，幫助企業降本增效。

1 目的與目標

1.1 方案目的

提出一套物流自動化裝備系統及應用方案，實現從原材料庫、生產線、線邊倉等場景的物流貫通，通過主控平臺實現全廠物流任務集中調度，實現按需配送、精準送達，消除等待、缺料、堆積等各種浪費，最大限度實現物流精益化，提升工廠總體生產效率，提高智能制造水平。

1.2 目標設定

實現庫房整板出入庫、貨架貨到人智能分揀、表面貼裝技術（Surface Mounted Technology， SMT）線雙面板自動回流、分板擺盤機自動接駁上下料、單板測試站自動上下料、單板點膠線自動上下料、整機功能測試線自動上下料、單板自動接駁入庫等環節的物流自動化。關鍵指標設定如下[1]：

1）實現從庫房到車間全流程物流自動化，并支持生產設備自動接駁上下料。

2）行走速度最大支持1.5 m/s，支持原地轉彎，轉彎半徑小于1.4 m。

3）最高對接精度支持2 mm精準接駁，支持前后雙向行駛以及左右兩側和設備接駁。

4）導航地圖需要≥50 000 m2。

5）AGV系統部署時不需要對環境進行改造。

6）支持任務優先級搶占式管理，任務隊列動態優化。

7）AGV可以支持的接駁高度需要覆蓋250～1 050 mm范圍內的任意高度，可支持的容器寬度需要覆蓋250～400 mm范圍內的任意寬度。

8）配置360°安全避障系統。

9）指令響應時間需要在300 ms以內。

10）載重負荷能力最大可支持1 200 kg。

2 需求分析

按照目標設定，該系統需要從作業環境、導航技術選擇、車型選擇、輔助設備設計、網絡架構設計、主控系統設計幾個方面進行規劃，才能達成所設定目標。

環境方面，需要完成原材料庫房和生產車間的全域無線網絡覆蓋，才能實現全物流場景的貫通。導航技術方面，需要選擇精度高、對環境依賴小、技術成熟的方案，減小對作業環境的依賴，實現場景零改造。車型方面，需要根據各作業場景布局、容器、載重等情況進行規劃，庫房主要容器為標準棧板和貨架，而生產線主要容器為單板板箱、單板塑封托盤、產品周轉箱，AGV車需要滿足上述需求。輔助設備部分，主要考慮人工作業點和AGV系統的聯動，需要引入接駁臺實現物料自動接駁和暫存。網絡架構方面，除了實時無線接入多臺AGV，還要和多種自動生產設備、人工站、電梯、自動門等進行通信，進行任務調度管理，因此，需要兼顧AGV車通信高實時性需求和任務管理系統數據流量大、可靠性高的需求，考慮分層的網絡架構，把高實時性業務（如地圖管理、AGV實時調度、避障管理）和高可靠性業務網絡進行分離。主控系統方面，采用Web開發技術實現，集成到機房統一管理，安全性、穩定性、便利性得到兼顧。

3 方案設計

3.1 整體業務流程介紹

通信終端制造工廠物流流程包括庫房物流和車間物流兩部分。

庫房物流主要包括物料接收、入庫、揀貨和配送，以及半成品入庫、成品入庫等環節，業務流程如圖1所示。其中物料接收容器為標準棧板，尺寸為1.2 m×1.0 m，載荷情況下典型重量600 kg；入庫環節容器為標準貨架，貨架上層高度2.4 m，巷道寬度2.5 m；揀貨環節容器為頂升式貨架，載荷情況下重量300 kg，底板離地0.3 m；配送環節采用輥筒輸送線實現物料上線。

車間物流部分包括SMT生產車間、單板測試車間和整機生產車間三段，業務流程如圖2所示。其中SMT段包含電子料配送至線頭上料機、物料在線體間周轉（雙面印刷等）、分板下料等，容器為吸塑托盤；單板測試段包含測試站上料、物料在不同測試站周轉（基帶、射頻測試等）、單板點膠等，容器為吸塑托盤；整機生產段包含產品整機自動上料、整機功能測試、整機自動下料入庫等，容器為整機機頭箱。

3.2 方案設計思路

基于上述物流業務流程和項目目標設定，從硬件、網絡及軟件架構兩方面對物流自動化系統進行方案設計[2-3]。

3.2.1 硬件方案

從物流全流程分析，物流系統需要兼容多種物料容器、較寬重量范圍、較大運動范圍，因此基于載重重量、容器分類，AGV硬件分為三種規格，如圖3、圖4和圖5所示，分別用于物料接收入庫、物料分揀（貨到人）和自動化接駁三種場景。

此外，物流自動化系統在SMT上下板機場景板箱方向旋轉了90°，因此設計升降式旋轉臺對SMT段單板板箱進行旋轉，轉向后由AGV繼續接駁并送到其他測試設備，如圖6所示。在單板測試段上料場景需要考慮前后段物流量不平衡時的緩沖需求，因此設計通用接駁臺實現單板物料緩沖和暫存，實現前后段連續流生產或者延遲一段時間后人工介入處理，如圖7所示。

3.2.2 網絡及軟件架構

從物流系統需要兼容的接駁場景、系統性能、任務管理要求等目標考慮，設計了基于主控系統、調度系統的雙層控制系統。其中主控系統直接控制生產接駁設備、電梯、自動門、呼叫臺（人工作業）和AGV調度系統，給上述主體下發任務指令，以及接收主體狀態信息、任務執行結果等，對實時性要求相對較低。調度系統直接控制AGV小車，實現地圖掃描構建、點位/路線管理、交通管制、流量控制等，對實時性要求相關較高。此外，AGV和生產接駁設備間支持光電對接模式，按照約定協議實現點對點自主接駁，無須主控系統協調同步。主控系統架構圖如圖8所示。

3.3 各模塊概要設計

本節對物流系統的各個組成部分進行介紹，重點對系統結構、工作原理、技術突破和創新點進行闡述。

3.3.1 網絡架構方案

在外部5G核心網的基礎上，建設園區5G專網和車間內網，同時支持5G和Wi-Fi信號覆蓋。在園區內網建設AGV主控系統，方便車間網和辦公網的雙向訪問，以及控制電梯、自動門等園區公共基礎設施。利用邊緣計算架構，把AGV調度系統下沉到車間內網，為AGV調度提供更加實時的網絡服務，提升系響應性能。詳細架構如圖9所示。

3.3.2 主控系統方案

主控系統采用Web架構方案，包含對外接口層、業務邏輯層和數據庫層[4-5]。對外接口層提供制造執行系統（Manufacturing Execution System， MES）、工廠信息系統（Factory Information System， FIS）擴展接口，可接收更高層級系統的調度指令，也可以提供物流自動化系統應用統計數據。業務邏輯層包含任務觸發引擎、設備監控、設備協同和異常處理等模塊，主要負責各類用戶業務邏輯的實現，任務的優先級管理、任務級搶占等機制在業務邏輯層實現。數據庫層包含設備狀態、AGV狀態和任務統計數據上傳數據庫相關模塊，為設備保養維護、設備使用率統計提供參考依據，具體架構如圖10所示。

3.3.3 調度系統方案

調度系統采用基于Web架構的設計方案[6-7]，功能包括地圖管理、任務管理、告警監控、日志管理、系統配置和智能分析，主頁面如圖11所示，展示了激光雷達對生產區域掃描后的現場地圖，并且能動態實時展示小車當前位置，以及任務列表、AGV狀態信息、AGV異常告警信息等。

通過調度任務可以詳細查詢任務狀態、容器編碼、起始位置和目標位置，以便進行小車使用率分析、線路優化等決策分析。任務頁面如圖12所示。

3.3.4 導航技術方案

激光SLAM導航技術是一種基于及激光雷達和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）的導航技術，激光雷達通過測量物體反射激光后的時間差，來計算物體的距離和位置，IMU是一種能夠測量機器人運動狀態的傳感器，可以測量機器人的加速度、角速度等參數。與傳統的磁條導航、二維碼導航、視覺導航技術相比，存在定位精度高、環境依賴性小、適應頻繁變動的場景等優點。

AGV在運動過程中，通過激光雷達掃描周圍環境，獲取環境中物體的距離和位置信息，把這些信息和IMU測量的AGV自身角速度、角速度等數據結合起來，通過SLAM算法進行處理，來評估AGV的實時位置并建立環境地圖，持實時更新自身位置和環境梯度信息，并實現任務導航和避障功能。

根據本項目業務場景及目標攝定，選擇激光SLAM視覺輔助導航技術，提升導航精度，同時利用視覺技術提升環境感知能力，改進AGV避障能力，提升系統安全性[8-9]。其前后激光單元檢測視場角為270°，有效距離20 m，如圖13、14所示。

3.3.5 車型方案

按照項目目標及硬件方案設計思路，對棧板容器、承重600 kg的場景配置叉車式AGV，對貨架容器、承重300 kg的場景配置頂升式AGV，對吸塑托盤和整機機頭箱容器、承重100 kg以下的場景配置通用輥筒接駁AGV，滿足各業務場景布局、容器、載重、可參觀性等多方面的需求，如圖15所示。

通用輥筒接駁式AGV

4 詳細設計舉例

本實踐涉及網絡架構、主控系統、調度系統、多種AGV車型、多種輔助設備等，涉及電氣、結構、軟件多種技術，每個模塊的具體方案需要參照設計圖紙、代碼才能盡述。本節僅針對輥筒接駁AGV車、高精度接駁技術、主控協議等部分進行介紹，以期讀者能對設計思路有更深入的理解。

4.1 輥筒接駁AGV車

輥筒接駁AGV應用到SMT生產車間、單板測試車間和整機生產車間場景，需要和多種生產設備進行自動化接駁，因此結構兼容性、對接可靠性、協議適配性要求較高。

結構兼容方面，設計了一款可以上下升降、左右歸中夾抱的上裝結構，固定在AGV小車上部，其升降行程為250～1 050 mm，歸中夾抱寬度280～550 mm。車體前后為升降、夾抱控制單元，可升降夾抱機構支持左右橫移，小車和待接駁設備就緒后，夾抱機構可以把容器橫向移出±80 mm，以便容器順利接駁到對接設備的輥筒或皮帶上，提高設備接駁穩定性。可以兼容SMT貼片線、單板自動測試線、單板全自動點膠線和整機功能測試線場景的多種設備，通用性非常強如圖16所示。

對接可靠性方面，該車型支持基于主控的動態協調對接和設備點對點光電接駁兩種接駁方式。基于主控動態協調的接駁方案，在AGV和待接駁設備就緒后，由AGV主控獨立控制AGV小車和接駁設備，獨立啟動輥筒或皮帶轉動，容器接駁到位后，由AGV小車和接駁設備獨立上報接駁結果給主控，主控確認雙側都成功，收回橫移機構并停止輥筒或皮帶轉動，完成一次接駁過程，其優勢是對多家設備兼容性好，無須考慮AGV和接駁設備之間的影響，如圖17所示。光電接駁方案，在AGV和待接駁設備就緒后，AGV小車和接駁設備通過光電感應器進行位置確認，確認通過后，由AGV單方發起接駁過程，即推出橫移機構，啟動輥筒或皮帶轉動，對端感應到容器后同步啟動輥筒或皮帶，接收容器指導接駁完成，最后根據光電感應器指示信號，完成接駁過程，AGV收回橫移機構，雙側停止輥筒或皮帶轉動。

協議適配性方面，采用基于JSON的標準工控協議，具備較強的容錯性、可擴展性，可適應不同時期投產的生產設備。

4.2 高精度接駁技術

在SMT線雙面板印刷場景，需要在不同SMT線之間轉運單板箱，AGV接駁對端設備為自動上下板機。因SMT板箱尺寸相對比較標準化（長寬高為320 mm×320 mm×550 mm），底面積小且重心偏高，容易傾倒，并且自動上下板機接駁對接口無喇叭口容錯設計，對接偏差超過±2 mm就到導致料箱卡住或傾倒，單板跌落損失后果嚴重，因此，該場景對接駁精度提出不超過±2 mm的要求，如圖18所示。

在激光SLAM導航基礎上，增加視覺引導碼輔助手段[10]，如圖19所示，在上下板機接駁口0.3 m處粘貼引導碼帶，AGV到達該區域后小車自動啟動視覺輔助引導，顯著提升了到位精度[11]。并且在該場景配置專車專用，即SMT線上下板機場景的AGV只進行單板板箱接駁，不接受其他任務，最終實現了接駁精度達到±2 mm以內的目標，經過批量應用驗證，穩定性良好。

4.3 控制協議

為實現AGV小車和生產對接設備的集中控制和調度，需要定義AGV主控和AGV調度系統、生產設備接駁控制單元、電梯、安全門、人工呼叫站之間的通信協議，協議要求簡單易用、可擴展性好、容錯機制強[12]。本實踐選擇基于JSON的交互協議，如圖20所示，滿足上述要求，和基于Web技術的主控系統集成應用性能也非常好，也便于第三方工具分析和診斷。

5 結 論

本方案基于激光SLAM導航AGV、主控系統、調度系統、物流自動化輔助系統等，實現了通信設備制造工廠全流程物流自動化，覆蓋原材料庫房、生產車間、半成品和整機庫房等場景，顯著提升了物流自動化水平。本實踐案例經濟和社會效益統計如下：

1）庫房物料接收、入庫、揀貨環節節省直接人力110人，總體減少40%。

2）庫位周轉效率提升40%，顯著提升了庫房空間應用效率。

3）庫房實現黑燈化作業，年度節省電力60萬千瓦時，幫助工廠通過綠色工廠認證。

4）SMT生產車間、單板測試車間和整機生產車間累積節省人力60人，占總人數5%。

5）幫助工廠獲得中國物流與采購聯合會科技進步獎稱號，形成行業影響力，有助于賦能給行業企業。

綜上，本案例介紹的物流自動化方案及應用案例技術領先、應用成熟度高，有助于提升通信設備和電子制造企業生產效率、降低生產成本、提高智能制造水平、提升企業盈利能力，具有顯著的經濟效益和社會效益。

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作者簡介：蔡冬（1983—），男，漢族，陜西寶雞人，基帶技術專家，碩士，研究方向：生產測試系統設計、測試自動化、智能制造；李晨陽（1982—），男，漢族，山西太原人，技術總工，本科，研究方向：生產測試軟件方案及開發、數字化、智能制造；凌立（1985—），女，漢族，湖南婁底人，軟件開發高級工程師，碩士，研究方向：生產測試軟件方案及開發、智能制造；王婷（1984—），女，漢族，陜西西安人，高級工程師，碩士，研究方向：生產測試軟件方案及開發、基于機器視覺、柔性物流的智能制造；張健（1979—），男，滿族，遼寧撫順人，部長，碩士，研究方向：生產測試軟件方案、智能制造技術、數字化技術。

收稿日期：2024-07-15