1953年，美國Basrrett電子公司開發(fā)成功了世界第一臺自主導(dǎo)航車（AGV），它由一輛牽引式拖拉機(jī)改造而成，帶有車兜，在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導(dǎo)線運(yùn)輸貨物，并具有一個以真空管技術(shù)為基礎(chǔ)的控制器。此后，隨著計算機(jī)、微處理器、控制系統(tǒng)及視覺識別等技術(shù)的發(fā)展，AGV的導(dǎo)航方式也在不斷創(chuàng)新與演進(jìn)之中。
AGV，全稱為Automated Guided Vehicle，意即自動導(dǎo)引運(yùn)輸車。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《物流術(shù)語》，將AGV定義為具有自動導(dǎo)引裝置，能夠沿設(shè)定的路徑行馳，在車體上具有編程和停車選擇裝置、安全保護(hù)裝置以及各種物料移載功能的搬運(yùn)車輛。AGV是移動機(jī)器人的一個重要分支，具有并行作業(yè)、自動化、智能化和柔性化等優(yōu)勢，如今已廣泛應(yīng)用于自動化倉儲系統(tǒng)、智能工廠、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域。
01
AGV及其導(dǎo)航方式的演變與進(jìn)化
回顧AGV及其導(dǎo)航方式的發(fā)展歷史，大致可分為三個發(fā)展階段：
第一階段：固定路徑的電磁導(dǎo)引
AGV技術(shù)雖然起源于美國，但在隨后的三十年里在歐洲發(fā)展較快。從1954年英國首次采用地下埋線的電磁感應(yīng)導(dǎo)引技術(shù)起，早期的AGV基本都采用電磁導(dǎo)引方式，即AGV沿著地面上的信號行駛，AGV上的傳感器根據(jù)信號的強(qiáng)度，選擇某一頻率的電磁信號為AGV提供導(dǎo)引。
在這一階段，由于計算機(jī)技術(shù)發(fā)展并應(yīng)用到AGV系統(tǒng)的管理和控制中，AGV的應(yīng)用場景也從早期的多局限于倉庫內(nèi)用作貨物轉(zhuǎn)運(yùn)，擴(kuò)展到用于倉庫自動化和工廠作業(yè)中，并作為生產(chǎn)組成部分進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，用于柔性生產(chǎn)線和汽車裝配線中。
第二階段：無線式導(dǎo)引技術(shù)得到應(yīng)用
20世紀(jì)80年代，歐洲的AGV浪潮涌入美國。許多美國公司通過技術(shù)引進(jìn)和合資經(jīng)營等手段將歐洲先進(jìn)的AGV技術(shù)轉(zhuǎn)移到美國。由于計算機(jī)微處理器的發(fā)展、控制技術(shù)的興起，計算機(jī)通訊、識別技術(shù)等進(jìn)入AGV研究領(lǐng)域，AGV向著智能化方向發(fā)展，無線式導(dǎo)引技術(shù)（比如激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等）則被引入到AGV系統(tǒng)中，大大提高了AGV的靈活性和準(zhǔn)確性。
80年代末到90年代初，AGV導(dǎo)引技術(shù)出現(xiàn)井噴式發(fā)展。比較典型的有瑞典NDC公司的激光導(dǎo)航式AGV，荷蘭的磁體網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)引式AGV、比利時Egemin公司的激光導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航、激光測角與測距相結(jié)合的復(fù)合導(dǎo)航式AGV等。
第三階段：百花齊放，多種導(dǎo)航導(dǎo)引方式并存
AGV導(dǎo)航方式市場份額統(tǒng)計情況（圖源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
當(dāng)前正處于AGV導(dǎo)航方式發(fā)展的第三階段，即“百花齊放”，多種導(dǎo)航導(dǎo)引方式并存。一方面，傳統(tǒng)導(dǎo)引方式仍在廣泛使用，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院2018年整理數(shù)據(jù)，磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、色帶導(dǎo)引仍占據(jù)著AGV導(dǎo)航方式共74.5%的市場份額。另一方面，二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航等也都應(yīng)用到AGV系統(tǒng)中，且AGV導(dǎo)航技術(shù)也在持續(xù)創(chuàng)新，視覺導(dǎo)航、自然導(dǎo)航、熒光導(dǎo)航等都具有良好的應(yīng)用前景。此外，隨著市場需求的不斷變化，未來也必將有更多的導(dǎo)航方式出現(xiàn)。
可以說AGV的技術(shù)發(fā)展史，也就是AGV導(dǎo)航導(dǎo)引方式的演進(jìn)史。隨著技術(shù)的變革與應(yīng)用，AGV導(dǎo)航方式也從最初的固定路徑導(dǎo)引（電磁導(dǎo)引），發(fā)展到半固定路徑導(dǎo)引（磁導(dǎo)引和光帶導(dǎo)引），再發(fā)展到自由路徑導(dǎo)引（如基于“燈塔”信息的激光導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航，基于地標(biāo)信息的慣性導(dǎo)航、標(biāo)簽導(dǎo)航，基于環(huán)境信息的環(huán)境導(dǎo)航或自然導(dǎo)航等）。隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，AGV對特定標(biāo)志物的依賴逐漸較少，對環(huán)境的適應(yīng)性則逐漸增強(qiáng)。
02
9種主流導(dǎo)航方式特點(diǎn)分析
AGV的導(dǎo)航是指其決定AGV運(yùn)行方向和路徑的方法。目前常用的AGV導(dǎo)航導(dǎo)引方式主要有磁導(dǎo)引、電磁導(dǎo)引、光帶導(dǎo)引、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、直接坐標(biāo)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航等9種導(dǎo)航方式。
① 磁導(dǎo)引
磁導(dǎo)引又分為磁帶導(dǎo)引、磁點(diǎn)（磁釘）等導(dǎo)引方式，也即在AGV的行駛路徑上貼磁帶或打磁點(diǎn)（磁釘），通過磁感應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。目前，磁帶、磁點(diǎn)（磁釘）導(dǎo)引技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也較為廣泛。
磁導(dǎo)引原理圖
其優(yōu)點(diǎn)是改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶、磁點(diǎn)的安裝簡單；缺點(diǎn)則是易受AGV行走路徑周圍的金屬物質(zhì)的干擾。此外，由于磁帶外露，容易受到機(jī)械損傷和污染，導(dǎo)航的穩(wěn)定性受環(huán)境影響較大，因此近年來此類AGV較多采用磁點(diǎn)（磁釘）方式。
② 電磁導(dǎo)引
該導(dǎo)引方式的基本工作原理為：在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻、低壓電流，使導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，AGV上的感應(yīng)線圈通過對導(dǎo)航磁場強(qiáng)弱的識別和跟蹤，實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。
電磁感應(yīng)導(dǎo)引結(jié)構(gòu)圖
其優(yōu)點(diǎn)為引線隱蔽，不易污染和破損，導(dǎo)引原理簡單可靠，便于控制和通訊，無聲光干擾，制造成本較低；缺點(diǎn)則為路徑更改的靈活性差，調(diào)整變動麻煩，感應(yīng)線圈對周圍的鐵磁物質(zhì)較敏感。在國外，對于一些路線比較簡單、需要24小時連續(xù)作業(yè)的工況（比如發(fā)動機(jī)等裝配生產(chǎn)線），基于非接觸供電技術(shù)的電磁導(dǎo)引AGV應(yīng)用是比較多見的。
③ 光學(xué)導(dǎo)引
該導(dǎo)引方式的基本工作原理為：在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對光學(xué)傳感器采入的色帶圖像信號進(jìn)行識別實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。此外，用CCD攝像機(jī)和圖像處理系統(tǒng)替代普通的光學(xué)傳感器可以有效提高導(dǎo)引系統(tǒng)的可靠性。目前，光學(xué)導(dǎo)引技術(shù)成熟，應(yīng)用也較為廣泛。
光學(xué)導(dǎo)引原理
光學(xué)導(dǎo)引與磁帶導(dǎo)引比較類似，主要優(yōu)點(diǎn)為靈活性較好，地面路線設(shè)置十分簡單；缺點(diǎn)則是易受色帶污染和磨損的影響，對環(huán)境要求較高，導(dǎo)引可靠性受制于地面條件，停位精度比較低。
④ 激光導(dǎo)航
最初的激光導(dǎo)航需要反射板來做輔助，稱為反射板激光導(dǎo)航模式，即在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當(dāng)前的位置和方向，并通過連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航。依據(jù)同樣的導(dǎo)航原理，若將激光掃描器更換為紅外發(fā)射器或超聲波發(fā)射器，則反光板激光導(dǎo)航可以變?yōu)榧t外導(dǎo)航或超聲波導(dǎo)航。
反射板激光導(dǎo)航示意圖
激光導(dǎo)航的主要優(yōu)點(diǎn)為定位精確，能適應(yīng)復(fù)雜的路徑條件及工作環(huán)境，能快速變更行駛路徑和修改運(yùn)行參數(shù)；主要缺點(diǎn)則為激光定位裝置成本較高。對環(huán)境要求（如外界光線、地面要求、能見度要求等）相對較高，不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）應(yīng)用。
目前，基于SLAM（Simultaneouslocalization and mapping，同步定位與地圖創(chuàng)建）技術(shù)的無反射板激光導(dǎo)航，由于突破了諸多局限，實(shí)現(xiàn)了AGV在復(fù)雜環(huán)境下也能精準(zhǔn)定位、快速部署而備受關(guān)注，成為許多AGV廠商的研發(fā)方向。
⑤ 慣性導(dǎo)航
慣性導(dǎo)航，即在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV通過對陀螺儀偏差信號（角速率）的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)AGV的自動導(dǎo)引。
慣性導(dǎo)航原理圖
慣性導(dǎo)航作為AGV領(lǐng)域新興的導(dǎo)航方式，在軍方較早運(yùn)用。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)，定位精準(zhǔn)，地面處理工作量小，路徑靈活性強(qiáng)。缺點(diǎn)則是制造成本較高，導(dǎo)航的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號處理密切相關(guān)。
⑥ 視覺導(dǎo)航
AGV領(lǐng)域的視覺導(dǎo)航，是指以攝像頭獲取可見光信號，基于模擬視覺的導(dǎo)航系統(tǒng)，也即在AGV上安裝CCD攝像機(jī)和傳感器，AGV在行駛過程中通過視覺傳感器采集圖像信息，并通過對圖像信息的處理確定AGV的當(dāng)前位置（識別給定路標(biāo)）。
美國SEEGIRD公司的視覺導(dǎo)航AGV（圖片來源于SEEGIRD官網(wǎng)）
視覺導(dǎo)航方式不需要人為設(shè)置任何物理路徑，具有路線設(shè)置靈活，適用范圍廣，成本低，允許無固定參照物等優(yōu)點(diǎn)，理論上具有最佳導(dǎo)航柔性，也是未來的發(fā)展方向。但是，由于基于無固定參照的視覺導(dǎo)航AGV其定位精度往往不高，利用車載視覺系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)路標(biāo)識別這一技術(shù)瓶頸尚未得到突破。
⑦ 二維碼導(dǎo)航
二維碼導(dǎo)航實(shí)際上也屬于視覺識別類導(dǎo)航，且與磁釘導(dǎo)引較為相似，只是坐標(biāo)標(biāo)志物不同，前者是磁釘，后者是二維碼。其原理是AGV通過攝像頭掃描地面QR二維碼，通過解析二維碼信息獲取當(dāng)前的位置信息。二維碼導(dǎo)航通常與慣性導(dǎo)航相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。
嘉騰二維碼導(dǎo)航AGV（圖片來源于嘉騰機(jī)器人官網(wǎng)）
二維碼導(dǎo)航比磁導(dǎo)航定位精確，在鋪設(shè)、改變路徑上也較容易，便于控制，對聲光無干擾。缺點(diǎn)則是路徑需要定期維護(hù)，在項(xiàng)目現(xiàn)場需要鋪設(shè)大量二維碼，且二維碼易磨損，比較適合全自動無人化環(huán)境。
⑧ 直接坐標(biāo)導(dǎo)航
直接坐標(biāo)導(dǎo)航，即用定位塊將AGV的行駛區(qū)域分成若干坐標(biāo)小區(qū)域，通過對小區(qū)域的計數(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，一般有光電式（將坐標(biāo)小區(qū)域以兩種顏色劃分，通過光電器件計數(shù)）和電磁式（將坐標(biāo)小區(qū)域以金屬塊或磁塊劃分，通過電磁感應(yīng)器件計數(shù)）兩種形式。
其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)路徑的修改，導(dǎo)引可靠性好，對環(huán)境無特別要求。缺點(diǎn)是地面測量安裝復(fù)雜，工作量大，導(dǎo)引精度和定位精度較低，且無法滿足復(fù)雜路徑的要求。
⑨ GPS導(dǎo)航
GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航，即通過衛(wèi)星對非固定路面系統(tǒng)中的控制對象進(jìn)行跟蹤和制導(dǎo)，其精度取決于衛(wèi)星在空中的固定精度和數(shù)量，以及控制對象周圍環(huán)境等因素。
dGPS導(dǎo)航原理
因GPS定位系統(tǒng)用于AGV定位時存在近距離定位精度低等問題，由此也衍生出iGPS（室內(nèi)GPS）和dGPS（用于室外的差分GPS）導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用GPS。目前應(yīng)用于AGV上的GPS導(dǎo)航技術(shù)還在發(fā)展和完善之中。
03
AGV導(dǎo)航方式的創(chuàng)新并未止步
雖然目前應(yīng)用于AGV上的導(dǎo)航導(dǎo)引方式多種多樣，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場景。但面對激烈的市場競爭以及電商、制造等行業(yè)對智慧物流更強(qiáng)烈的市場需求，目前對AGV導(dǎo)航方式的探索與技術(shù)創(chuàng)新卻并未止步，比較典型的包括自然導(dǎo)航、熒光導(dǎo)航等。
① 自然導(dǎo)航
自然導(dǎo)航，是基于SLAM技術(shù)以及現(xiàn)有環(huán)境實(shí)現(xiàn)，不需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何調(diào)整，無需地面標(biāo)記的導(dǎo)航方式。由于其不需要安裝標(biāo)記或反射器，降低了車間改造成本，縮短了安裝和投入使用的時間，提高了車間柔性和設(shè)備可移植性，因而能夠滿足市場對AGV高靈活性、短安裝和啟動時間的需求。
怡豐自然導(dǎo)航AGV 應(yīng)用于上汽大眾高壓電池車間
（圖片來源于怡豐機(jī)器人官網(wǎng)）
自然導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的過程為：首先讓裝有環(huán)境感知傳感器的AGV在未知環(huán)境中從某一位置出發(fā)，根據(jù)其移動過程中內(nèi)部與外部傳感器獲取的感知信息進(jìn)行自定位，同時逐漸建立一個連續(xù)的環(huán)境地圖，即SLAM過程。然后，在此地圖的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)AGV的精確定位與路徑規(guī)劃，完成導(dǎo)航任務(wù)。
SLAM技術(shù)是自然導(dǎo)航的核心技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)SLAM是AGV實(shí)現(xiàn)自然導(dǎo)航的前提，SLAM過程中地圖建立的精度對后期定位與導(dǎo)航的精度有著重大影響。自然導(dǎo)航的SLAM技術(shù)有2種，即激光SLAM和視覺SLAM，兩者的原理基本相同。激光SLAM利用2D或3D激光雷達(dá)掃描周邊環(huán)境，然后再通過軟件構(gòu)建即時地圖；而視覺SLAM則是利用攝像頭拍攝的圖像來構(gòu)建地圖。
自然導(dǎo)航是目前AGV行業(yè)最先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)之一，也是近幾年隨著智能制造和柔性生產(chǎn)需求而興起的導(dǎo)航方式。如今，國內(nèi)包括新松機(jī)器人、嘉騰機(jī)器人、怡豐機(jī)器人、佳順智能等廠商都推出了自然導(dǎo)航式AGV產(chǎn)品，并逐漸應(yīng)用于工廠車間物料運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)等場景。
② 熒光導(dǎo)航
熒光導(dǎo)航一定意義上可以說是磁導(dǎo)引和色帶導(dǎo)引的升級版。熒光導(dǎo)航的工作原理是，熒光導(dǎo)航傳感器發(fā)射經(jīng)調(diào)制的紫外光，當(dāng)熒光色帶上的熒光物質(zhì)被紫外光激發(fā)，即會發(fā)射出波長在可見光光譜范圍內(nèi)（約420 nm 到750 nm）的可見光，熒光導(dǎo)航傳感器通過接收此光線，從而測量判斷色帶與AGV的相對位置，讓AGV小車沿既定路線行駛。
圖 熒光導(dǎo)航工作原理（圖片來源于德國SICK公眾號）
熒光導(dǎo)航兼具磁導(dǎo)引的耐污染能力和色帶導(dǎo)引的抗干擾能力，提供更高的精度和集成度，并能優(yōu)化小車控制。缺點(diǎn)則是與目前主流的磁導(dǎo)引方式相比，熒光導(dǎo)航傳感器本體成本略高，但與磁條路線相比，熒光色帶將會省去90%的路線成本，因此也能一定程度上削減整體方案成本。該導(dǎo)航技術(shù)自推出后即備受關(guān)注，也是AGV導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新的方向之一。
此外，聲音導(dǎo)航、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等智能化AGV導(dǎo)航控制技術(shù)也都在發(fā)展中，并將隨著機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步而進(jìn)步。
01 復(fù)合導(dǎo)航成為主流
復(fù)合導(dǎo)航指應(yīng)用兩種或兩種以上導(dǎo)航導(dǎo)引方式實(shí)現(xiàn)AGV運(yùn)行，其目的是為了適應(yīng)各種使用場景，也是未來AGV導(dǎo)航的主要發(fā)展方向之一。比如，使用慣性導(dǎo)航控制、二維碼標(biāo)簽輔助糾偏的慣性二維碼復(fù)合導(dǎo)航，可提高導(dǎo)航精度及作業(yè)效率；使用慣性導(dǎo)航與視覺導(dǎo)航的復(fù)合導(dǎo)航方式，則既彌補(bǔ)了慣性導(dǎo)航誤差隨時間漂移的不足，也彌補(bǔ)了視覺導(dǎo)航處理實(shí)時性不足的缺陷等等。
02 視覺導(dǎo)航仍是重要發(fā)展方向
雖然，目前受限于現(xiàn)有計算設(shè)備的運(yùn)算速度和存儲容量，特別是圖像處理速度慢始終難以解決，視覺導(dǎo)航實(shí)用性不強(qiáng)；但是，相信隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及快速圖像處理關(guān)鍵技術(shù)的突破，視覺導(dǎo)航將成為具有廣闊前景的AGV導(dǎo)航技術(shù)之一。
03 無標(biāo)記自然導(dǎo)航將被更多采用
未來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云計算以及人工智能與智能移動機(jī)器人相互交融會越來越普及，將帶來AGV行業(yè)革命性變化，要求AGV更智能，更柔性化，越來越多的AGV將采用無標(biāo)記自然導(dǎo)航技術(shù)以適應(yīng)復(fù)雜、開放的動態(tài)環(huán)境。
04 將有更多的導(dǎo)航方式產(chǎn)生
導(dǎo)航導(dǎo)引技術(shù)始終是AGV發(fā)展的最主要部分，隨著市場需求的不斷變化，未來還必將有更多的導(dǎo)航技術(shù)與方式出現(xiàn)。比如，圍繞個人移動終端的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展方興未艾，基于Wi-Fi、藍(lán)牙的多種方案趨于成熟，并投入市場應(yīng)用，將這些技術(shù)與機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，或?qū)锳GV室內(nèi)導(dǎo)航開辟新的思路。
