1、基于SLAM技術(shù)的AGV搬運(yùn)機(jī)器人技術(shù)研究摘要：人工智能駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要大量的科學(xué)技術(shù)支持，而其中最重要的就是大量的傳感器定位。核心技術(shù)是包括高精度地圖、定位、感知、智能決策與控制等各個(gè)模塊。采用激光SLAM通過安裝在AGV前方或頂部的激光雷達(dá)自動(dòng)識(shí)別周圍環(huán)境輪廓并且實(shí)現(xiàn)車輛自定位，根據(jù)倉庫的環(huán)境靈活采用多種傳感；自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制，適應(yīng)各種復(fù)雜的情況；進(jìn)行路線規(guī)劃，任務(wù)調(diào)度的配置、發(fā)起、監(jiān)控，路線交通管制。本文開展人工智能駕駛技術(shù)與多種傳感器的相互結(jié)合研究。關(guān)鍵詞：人工智能駕駛技術(shù)；AGV；運(yùn)動(dòng)控制一、前言AGV（AutomatedGuidedVehicle），也稱為無

2、人搬運(yùn)車，是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)細(xì)品分類，是能夠按規(guī)定的導(dǎo)引路線行駛并自主完成搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)器人。按照導(dǎo)引方式分類，AGV可以分為電磁導(dǎo)引AGV、磁帶導(dǎo)引AGV、光學(xué)導(dǎo)引AGV、慣性導(dǎo)引AGV、激光導(dǎo)引AGV、點(diǎn)導(dǎo)引AGV、圖像識(shí)別導(dǎo)引AGV、GPS導(dǎo)引AGV等。其中電磁導(dǎo)引和磁帶導(dǎo)引技術(shù)較為成熟，具有穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)，但是也有如下弊端：（1）電磁導(dǎo)航需要對(duì)地面進(jìn)行開槽、回填，破壞原有的地面完整性；（2）磁帶導(dǎo)航需要在地面粘貼，后期容易被其他車輛與人員碾壓壞；（3）后期工藝要求修改AGV路線，需要重新施工鋪設(shè)，增加成本；在這樣的市場(chǎng)背景下，AGV的電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航的弊端明顯，急需另一

3、種新的AGV導(dǎo)航方式解決AGV導(dǎo)航的可拓展性問題。二、基于激光SLAM導(dǎo)航的AGV2.1激光雷達(dá)的原理激光雷達(dá)的工作原理如圖1所示，激勵(lì)源提供能量打破激光器內(nèi)熱平衡，粒子在激光器諧振腔中受激放大，達(dá)到出射閾值后，激光從激光器中發(fā)出，激光調(diào)制器通過控制光束控制器，決定輸出激光的方向、光束半徑等，最后激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射。光電探測(cè)器負(fù)責(zé)探測(cè)經(jīng)過反射的激光，產(chǎn)生接收信號(hào)，利用高精度時(shí)鐘確定發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間，經(jīng)由微處理器計(jì)算測(cè)量距離、角度、發(fā)射強(qiáng)度等信息。利用軟件對(duì)這些信息進(jìn)行綜合處理，可以獲取目標(biāo)的表面輪廓與物理距離從而進(jìn)行建?；蛘邤?shù)據(jù)分析。如圖2所示。圖2激光雷達(dá)測(cè)量顯示圖激光雷達(dá)測(cè)距原理如式（

4、1）。R=（C*T）/2式（1）其中，R傳感器到被測(cè)采樣點(diǎn)之間的距離;C光速；T激光脈沖從激光器到被測(cè)采樣點(diǎn)的往返傳輸時(shí)間。2.2激光雷達(dá)的劃分（1）按照掃描線數(shù)進(jìn)行劃分，激光雷達(dá)可分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。（2）按照成像方式進(jìn)行劃分，激光雷達(dá)可分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)、三維激光雷達(dá)，如表1所示。分類表1激光雷達(dá)類型及信息功能應(yīng)用場(chǎng)景主要供應(yīng)商一維距離測(cè)河道、航道、標(biāo)德國(guó)博世、瑞士激光雷達(dá)量、定位桿、電信、地質(zhì)測(cè)量等徠卡二維激光雷達(dá)輪廓測(cè)量、定位、區(qū)域監(jiān)控城市建筑測(cè)量、機(jī)器人環(huán)境識(shí)別、安防等日本Hokuy、德國(guó)SICK、德國(guó)IBE0三維激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)三維建模車、機(jī)器人、無人汽高精度地

5、圖測(cè)繪等奧地利Riegl、加拿大Prtech、美國(guó)3Dlasermapping（3）按照發(fā)射的波形劃分，激光雷達(dá)可分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)、脈沖壓縮激光雷達(dá)和成像激光雷達(dá)等。（4）按照掃描方式劃分，激光雷達(dá)可分為掃描式和非掃描式。掃描式：有機(jī)械掃描、電學(xué)掃描和二元光學(xué)掃描幾種選擇，機(jī)械掃描能夠進(jìn)行大視場(chǎng)掃描，也可以達(dá)到很高的掃描速率，是目前應(yīng)用最多的一種方式。非掃描：采用多元探測(cè)器，作用距離較遠(yuǎn)。2.3SLAM導(dǎo)航原理SLAM(SimultaneousLocalizationAndMapping)即同步定位與建圖，指機(jī)器人在未知的環(huán)境、未知的位置中，一邊移動(dòng)一邊利用自身攜帶的傳感器(編

6、碼器、IMU、激光傳感器或者視覺傳感器)測(cè)繪出該環(huán)境的完整地圖，并確定自己所處的位置?；诩す釹LAM導(dǎo)航的AGV中，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中通過編碼器與慣性測(cè)量單元計(jì)算獲得里程數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算機(jī)器人的位姿，通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，建立基本地圖模型，在移動(dòng)過程中，更新地圖，同時(shí)結(jié)合觀測(cè)模型對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行精確校正，得到機(jī)器人精準(zhǔn)定位，然后把機(jī)器人位置添加到柵格地圖中，反復(fù)如此，最后完成整個(gè)場(chǎng)景的地圖構(gòu)建。構(gòu)建的地圖與室內(nèi)位置對(duì)照如圖3所示。圖3構(gòu)建的地圖與室內(nèi)位置的對(duì)照完成場(chǎng)景地圖構(gòu)建后，AGV要在構(gòu)建好的地圖基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)AGV導(dǎo)航。在AGV運(yùn)動(dòng)過程中，AGV的里程計(jì)和激光雷達(dá)配

7、合，計(jì)算出AGV的實(shí)際位置，與柵格地圖進(jìn)行匹配，實(shí)時(shí)獲取AGV的精準(zhǔn)位置和位姿，同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前位置、目標(biāo)位置和四周環(huán)境進(jìn)行路徑規(guī)劃，遇到障礙物及時(shí)更改路徑，使AGV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛、智能避障。三、基于激光SLAM的AGV關(guān)鍵技術(shù)激光雷達(dá)在技術(shù)發(fā)展方向來說，激光雷達(dá)在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，但是目前激光雷達(dá)并未得到國(guó)內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人廠商的大規(guī)模應(yīng)用，短期內(nèi)也暫時(shí)無法突破高昂成本的壁壘，出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。主要原因就是激光雷達(dá)的低產(chǎn)能、高成本。激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜，量產(chǎn)難度大，國(guó)外激光雷達(dá)廠商很少自建生產(chǎn)線，大部分選擇代工廠代工；國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)的研發(fā)事業(yè)剛起步，技術(shù)和產(chǎn)能也有一定困難，造成了激光雷達(dá)想要追

8、求高質(zhì)量就不得不提高成本的問題。過去幾年，激光雷達(dá)組件成本逐漸降低，國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)廠商發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，使激光雷達(dá)的價(jià)格有所降低，但總體價(jià)格仍然讓應(yīng)用廠商無法大規(guī)模采購(gòu)。據(jù)了解，百度、谷歌無人汽車采用的激光雷達(dá)，成本在28萬美元，價(jià)格幾乎與汽車本體相當(dāng)。激光雷達(dá)成本如此高昂，導(dǎo)致激光雷達(dá)與移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合的產(chǎn)品無法得到普遍客戶的認(rèn)可，對(duì)于中低端移動(dòng)機(jī)器人廠商來說，激光雷達(dá)目前不在考慮范圍之內(nèi)。地圖構(gòu)建人們一般采用地圖的方式來展示環(huán)境的總體信息。AGV獨(dú)立構(gòu)建的地圖可以分為拓?fù)涞貓D、幾何特征地圖和柵格地圖三種。在選擇地圖類型的時(shí)候，要根據(jù)AGV的環(huán)境、使用的SLAM算法和AGV的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。正確快

9、速地構(gòu)建地圖對(duì)于AGV的作用非常顯著，它能夠在完成基本的地圖構(gòu)建上提高效率，還可以更好地指導(dǎo)導(dǎo)航和避障工作，提高實(shí)時(shí)性和AGV的反應(yīng)速度。柵格地圖柵格地圖是眾多地圖表達(dá)方式中最基礎(chǔ)的一種。其工作原理是先把待測(cè)環(huán)境進(jìn)行分割，分割成為同等大小的網(wǎng)格，網(wǎng)格的狀態(tài)分為“被占用”和“未被占用”兩種狀態(tài)，在算法中用“1”和“0”兩個(gè)數(shù)值來表示上述兩種狀態(tài)，每一個(gè)網(wǎng)格用處于0到1之間的數(shù)字來表示被占用的概率，也能用來指代在真實(shí)環(huán)境中對(duì)應(yīng)位置存在障礙物的概率大小。在構(gòu)建地圖時(shí)，如果所收集的數(shù)據(jù)來自于激光雷達(dá)，柵格地圖這一方式具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗菀讋?chuàng)建和維護(hù)，并且在臨時(shí)信息出現(xiàn)時(shí)，比如過往的車輛行人等，也

10、能很方便地更新地圖內(nèi)容。柵格地圖能夠顯著劃分出可通行區(qū)域和障礙物邊緣與位置，因此十分適合軌跡規(guī)劃和避障導(dǎo)航。柵格地圖的分辨率取決于柵格的數(shù)量大小，如果要提升柵格地圖的分辨率，那么必須要減小各個(gè)柵格的尺寸，使用數(shù)量更多的柵格來表示2，柵格數(shù)量越多，需要的計(jì)算量就越大，需要占用更多內(nèi)存來存儲(chǔ)地圖，在高精度和實(shí)時(shí)性之間的矛盾里，目前的解決方案是在面積較小的室內(nèi)環(huán)境使用。目前，無論是2D激光SLAM還是3D激光SLAM應(yīng)用最廣泛的地圖種類是占據(jù)柵格地圖。拓?fù)涞貓D與通過笛卡爾坐標(biāo)系來表示位置的方式不同，拓?fù)涞貓D借鑒了拓?fù)鋱D的結(jié)構(gòu)和思路，采用各個(gè)節(jié)點(diǎn)和用來連通這些節(jié)點(diǎn)的邊的方式來實(shí)現(xiàn)地圖的表達(dá)。在這樣一種

11、地圖里面，各個(gè)節(jié)點(diǎn)與外部實(shí)際環(huán)境中的各個(gè)物體相對(duì)應(yīng)，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的各個(gè)邊則代表這些物體的相互鄰接關(guān)系，直接路徑的存在表示為這兩個(gè)物體之間存在一個(gè)連接兩者的邊。這種表達(dá)方式優(yōu)勢(shì)在于，能夠占用更少的資源來記錄整個(gè)地圖的信息，節(jié)點(diǎn)之間的連通性和路徑的存在更加直觀，但是這種抽象地圖導(dǎo)致其具有較差的可讀性，人機(jī)交互能力差，因此拓?fù)涞貓D更加適合路徑規(guī)劃而不是地圖構(gòu)建。幾何特征地圖在探測(cè)環(huán)境時(shí)，幾何特征地圖將以環(huán)境探測(cè)到的物體的幾何特征（如線段、曲面、點(diǎn)等）來表示物體，因此，構(gòu)建出來的幾何特征地圖更加貼近于人眼觀察到的環(huán)境。這一表達(dá)方式的主要流程為：在得到傳感器所采集到的原始環(huán)境信息之后，利用從環(huán)境信息中

12、提取出的環(huán)境的幾何特征來表示這些環(huán)境，并使用這些環(huán)境特征進(jìn)行地圖構(gòu)建。幾何特征地圖最顯著的特征就是直觀性強(qiáng)，能夠快速識(shí)別出物體在環(huán)境中的位置，并且相比較于柵格地圖，幾何特征地圖占用的內(nèi)存空間更小。但是在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)，無法顯示出具體細(xì)節(jié)。在出現(xiàn)臨時(shí)障礙物或者地圖更新時(shí)，局部地圖需要和全局地圖進(jìn)行匹配，更新時(shí)間比柵格地圖緩慢。復(fù)雜環(huán)境中，對(duì)AGV的位姿進(jìn)行精確估計(jì)需要大量的掃描匹配，幾何特征地圖的概括性可能會(huì)導(dǎo)致這一掃描匹配環(huán)節(jié)不成功?？偨Y(jié)SLAM最早由國(guó)外學(xué)者提出，1990年的一篇文章中，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波求解SLAM，并成為以后SLAM問題的主導(dǎo)模型。SLAM技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用

13、比較廣泛，并得到了深入研究，技術(shù)也比較成熟，就今后的發(fā)展本文做如下幾條總結(jié)。激光雷達(dá)想要普遍應(yīng)用于各種場(chǎng)景，主要難點(diǎn)在于(1)工作環(huán)境對(duì)激光雷達(dá)干擾大，如霧天難以工作；(2)價(jià)格太高，通常在萬元以上。對(duì)于激光雷達(dá)功能短板，可采用多傳感融合的方式解決；對(duì)激光雷達(dá)大規(guī)模應(yīng)用形成最大阻礙的價(jià)格問題，目前有兩個(gè)主要解決途徑：一是在機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)電子元器件的高度集成化與芯片化，二是研發(fā)固態(tài)激光雷達(dá)。感器融合；提高激光SLAM算法的魯棒性與實(shí)時(shí)性。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的成熟與發(fā)展，越來越多的低成本激光雷達(dá)被民用化，同時(shí)將會(huì)有更加魯棒的激光SLAM算法產(chǎn)生，基于激光SLAM的AGV將會(huì)得到更大的發(fā)展。參考文獻(xiàn)朱訓(xùn)棟，張?chǎng)?AGV視覺導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展J.物流科技,2019,42(6):56-59.張東,江亞峰，姜烽，等.一種AGV改進(jìn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J