行業新聞
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物流機器人十大主流導航技術分析
一、磁導航
磁導航主要是指通過測量路徑上的磁場信號，來獲取機器人自身位置，引導機器人沿磁場信號指引行駛，從而實現車輛的控制及導航。目前來說，磁導主要分為三種形式，包括電磁導航、磁條導航與磁釘導航。
1、電磁導航
電磁導航指的是在導航路徑上埋設金屬線，并在金屬線上加載導引頻率，通過物流機器人對導引頻率的感知與識別，來實現物流機器人的導航功能。
優點：成本低、技術成熟可靠。導航的隱秘性好、美觀性強，在一些高溫環境下或者對線路平直性要求嚴格的場景中比較適用。
缺點：導航線路鋪設后難以更改，導航路徑固定，缺乏柔性，路徑上出現障礙無法避讓，難以適應多個機器人群體作業等等。
2、磁條導航
磁條導航主要是在地面鋪設磁條，通過測量路徑上的磁場信號來獲取機器人自身的精準定位信息，并引導機器人沿磁條路徑向目的地行駛，從而實現車輛的控制及導航。
優點：相對于電磁導引來說，磁條導航具有很高的測量精度及良好的重復性，磁條一旦鋪設好后，維護費用非常低，使用壽命長，且增設、變更路徑較電磁導航容易。
缺點：磁條直接鋪設在地面，影響美觀，容易破損，并且會吸引金屬物質，容易導致AGV設備故障等。
3、磁釘導航
磁釘導航依然是通過磁導航傳感器檢測磁釘的磁信號來尋找行進路徑，只是將原來采用磁條導航時對磁條進行連續感應變成間歇性感應，磁釘導航所用控制模塊與磁條導航控制模塊其實是相同的。
優點：磁釘抗干擾強，抗磨損性強。
缺點：與電磁導航一樣，修改路線復雜，且對地面會造成一定的破壞。
物流機器人磁導航的歷史悠久，技術成熟，曾在很長一段時間內是物流機器人導航技術的主流。但磁導航路線固定、變更不靈活，缺乏柔性，不便于群體作業等缺點，目前已經被邊緣化。
目前，對于物流搬運路徑比較固定的場景下，從應用特點和性價比方面來說磁導航還具有較大優勢。另外，隨著無線通信技術發展，近年來磁導航物流機器人（AGV），也可以實現隨時與中控端的調度系統緊密互動，一面接收派車命令，一面將車輛位置、裝卸貨等信息回饋予調度系統，提升了物料搬運管理效能。
二、慣性導航
慣性導航主要是根據相應的慣性原理，依靠陀螺儀、加速度計等慣性傳感器獲取位置、速度等信息，利用信息技術、物理知識、智能算法形成的導航參數解算技術進行物流機器人的導航。
優點：慣性導航成本較低，抗干擾很強，還能夠完整地獲取相應的數據信息，具有一定的自主性。
缺點：容易造成累計誤差，在面積較大的復雜環境中，慣性導航的弊端會逐漸顯現出來。
說明：慣性導航雖然是一種較為初級的物流機器人定位導航技術，但它是全自主的導航系統，抗干擾強，如果與其他導航技術組合應用，克服慣性導航缺點，提升導航精度，具有很好前景。
三、光反射導航
利用光反射原理測距、定位、導航的技術都屬于光反射導航。實踐中常用激光與紅外等光反射導航，各種光反射導航原理基本相同。這里重點介紹物流機器人領域應用最廣泛的激光反射板導航技術。
激光反射導航基本原理與激光測距相同，即通過測量激光從發出到接收反射的時間計算出自身與前方障礙物的距離。與激光測距不同的是，激光導航需要進行多次多點位的測距，即把激光頭安裝在機器人頂部，每隔數十毫秒旋轉一周，發出經過調制的激光。激光經布置在環境中的反射板反射回來，經過解調可以得到有效的信號，由于機器人的工作場預先安置的反射板坐標預先已輸入了計算機，因此根據反射信號可以精準確定機器人所處的位置，并用來指導機器人行走。
優點：定位精度高、不需要鋪設輔助設施、線路變更靈活、導航技術成熟，能夠適合多種現場環境。
缺點：導航成本高，對環境光線、能見度等要求苛刻，易受環境因素的影響。
目前，隨著激光雷達傳感器模塊化、小型化，導航成本已經有大幅下降。
四、二維碼導航
黃色機器人借助地面白色方塊二維碼導航
亞馬遜KIVA物流機器人最早應用二維碼導航，其類似棋盤的工作模式令人印象深刻，帶動國內的電商企業的智能倉庫機器人紛紛采用二維碼導航。
二維碼導航原理是通過攝像頭掃描地面二維碼，解析二維碼信息獲取當前的位置，再按調度系統導航指令，計算并控制機器人行駛，使得機器人借助慣性導航技術，依次沿著導航路徑中二維碼標簽位置行走，最后完成導航功能，到達目的地。二維碼導航通常與慣性導航相結合，實現精準定位與導航。這是二維碼坐標信息定位與慣性導航技術相結合的一種新型導航技術。
優點：定位精確，小巧靈活，鋪設、改變路徑較為容易，便于控制通訊，無需擔心聲光干擾。
缺點：慣性導航缺點會制約二維碼導航精度；二維碼容易污損需要定期維護；如果場地復雜，用戶就需要頻繁更換二維碼等。
綜合運用二維碼識別設備和機器人控制技術，結合算法解決了應用過程中路徑規劃問題和碰撞問題，從而實現倉儲物流中機器人自動引導和定位，穩定性、柔性和實用性非常高，已在國內智能倉儲的廣泛應用。
五、色帶導航
色帶導航是在移動機器人的行駛路徑上布置色帶（粘貼色帶或涂漆），利用色帶作為導航路徑的人工標志物，通過車載的光學傳感器采集并識別色帶圖像信號，來實現物流機器人定位與導航的方法。色帶導航與磁帶導引較為類似。
優點：路面鋪設較為容易，拓展與更改路徑相對磁條導引容易，成本低。
缺點：色帶較為容易受到污染和磨損，對環境的要求高，導引的可靠性受制于地面條件，定位精度較低。
六、超聲波導航
超聲波導航的工作原理與激光和紅外類似，只不過導航定位原理不是光反射而是聲反射。通常是由超聲波傳感器發射出超聲波，超聲波在介質中遇到障礙物再返回到接收裝置。通過接收自身發射的超聲波反射信號，計算和定位機器人在工作環境中的坐標位置，并指導機器人行走到目標位置。也有移動機器人導航定位中超聲波發射和接收裝置是分開的，在導航環境地圖中也需要布置多個超聲波反射裝置。
優點：超聲波傳感器具有成本低廉、采集信息速率快、距離分辨率高等優點，采集環境信息時不需要復雜的圖像匹配技術，測距速度快、實時性好，不受天氣條件、環境光照、障礙物陰影、表面粗糙度等外界環境影響。
缺點：超聲波傳感器有自身缺陷，如：鏡面反射、有限的波束角等，給充分獲得周邊環境信息造成了困難。
針對超聲波傳感器自身缺點，通常采用多個傳感器組成的超聲波傳感系統，建立相應的環境模型，通過串行通信把傳感器采集到的信息傳遞給移動機器人的控制系統，控制系統再根據采集的信號和建立的數學模型，采取一定的算法進行數據處理，以便得到機器人的位置環境信息。
七、視覺導航
視覺導航是指機器人利用視覺系統（單目攝像頭或者多目攝像頭）實現自主定位與導航。物流機器利用攝像頭進行圖像信息采集，將采集的信息進行數據處理、特征提取、特征匹配、矩陣計算、三維重建、參數優化，SFM（運動恢復結構）確定周圍環境后，當機器需要定位或正常運動時，再使用拍攝圖片的特征跟structure匹配，來實現物流機器人自身的精準定位，完成機器人的導航定位功能。
優點：具有成本較低，定位精確等優點。
缺點：視覺導航技術對使用環境（地面、光線等）要求較高，運行的地面需要有紋理信息。
視覺導航定位系統主要包括：攝像機（或CCD圖像傳感器）、視頻信號數字化設備、基于DSP的快速信號處理器、計算機及其外設等。在視覺導航定位系統中，目前國內外應用較多的是基于局部視覺的在機器人中安裝車載攝像機的導航方式。在這種導航方式中，控制設備和傳感裝置裝載在機器人車體上，圖像識別、路徑規劃等高層決策都由車載控制計算機完成。
八、無線定位技術與導航
GPS是室外機器人的定位與導航的重要技術，但物流機器人作業場景大部分都在室內，室內GPS信號很弱，無法采用GPS定位與導航，因此需要采用室內無線定位技術。
WIFI、BLE、ZigBee、UWB、RFID是室內常用的無線定位技術，原則上都可以用于室內機器人的定位與導航。但是從定位精度、網絡要求、抗干擾能力、使用成本和安全性等角度綜合分析，這些無線定位技術普遍存在一些問題，因此都不屬于物流機器人導航中應用廣泛的導航技術。
九、SLAM（同步定位與地圖建圖）導航
SLAM是(Simultaneous Localization And Mapping)同步定位與地圖構建的縮寫，是解決機器人從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態，再根據自身位置進行增量式的地圖構建，從而達到同時定位和地圖構建的方法。
SLAM技術的核心步驟包括：感知、定位、建圖這三個過程。感知即機器人能夠通過傳感器獲取周圍的環境信息；定位即機器人通過傳感器獲取的當前和歷史信息，推測出自身的位置和姿態；建圖就是根據自身的位姿以及傳感器獲取的信息，描繪出自身所處環境的樣貌。
感知是SLAM的必要條件，只有感知到周圍環境的信息才能夠可靠地進行定位以及構建環境的地圖，而定位和建圖則是一個相互依賴的過程：定位依賴于已知的地圖信息，建圖依賴于可靠的定位。
SLAM問題基本上可以分為前端和后端兩個部分。前端主要處理傳感器獲取的數據，并將其轉化為相對位姿或其他機器人可以理解的形式；后端則主要是計算分析自身位姿和同步構建地圖等。
優點：SLAM技術最大的優點就是可以在完全未知的室內環境，可以不依賴于輔助導航標志，完成機器人自主定位、對目標進行有效跟蹤和操作、進行路徑規劃、自動避開障礙物，具有更高柔性、更高精度、更強適應性的自主導航，大幅提高倉儲系統的智能性和自主性，提升物流機器人應用的廣度和深度，提高物流效率，降低生產成本，是物流領域機器人智能導航技術的發展方向。
缺點：SLAM系統導航和定位精度會受傳感器自身精度等因素影響，可能造成構建地圖不夠精確，需要通過對環境信息加工處理，或是采用多傳感器獲取信息，并將數據進行融合分析，剔除噪聲，提高導航準確度。
SLAM導航系統的傳感器主要有：深度傳感器（超聲波、激光雷達、立體視覺等），視覺傳感器（攝像頭、信標），慣性傳感器（陀螺儀、編碼器、電子羅盤）以及絕對坐標（WUB，GPS）等。
根據采用傳感器的類型，SLAM技術的實現有VSLAM、Wifi-SLAM與Lidar SLAM等多種途徑，在物流機器人中常用的是VSLAM與Lidar SLAM。
VSLAM（視覺SLAM）：是利用視覺導航和SLAM技術，實現物流機器人自主導航定位功能；
Lidar SLAM（激光SLAM）：是利用激光雷達作為傳感器，獲取地圖數據，使機器人實現同步定位與地圖構建，實現物流機器人自主導航與定位的功能。
視覺SLAM與激光SLAM導航的優缺點分析：
優點：
激光SLAM導航系統構建地圖精度較高，技術成熟，建圖直觀，無累計誤差，可做路徑規劃，方便機器人的定位導航。
視覺SLAM導航系統結構簡單，成本較低，地圖可提取語義信息，應用場景豐富，安裝方式可以隨著場景的不同實現多元化，發展前景好。
缺點：
激光SLAM受激光探測范圍限制，安裝有結構要求，使用成本相對較高，地圖缺乏語義信息；
視覺SLAM受環境光線影響較大，暗處無法工作，信息處理運算負荷大，地圖構建有累積誤差，構建的地圖不能直接用于路徑規劃，傳感器動態性能也需要提升。
十、協同導航
協同導航主要有多種感知技術組合應用的協同導航和多機器人協同導航。
1、多感知技術協同導航：
前面介紹的各類感知技術都有自身缺陷，如果多種技術組合應用，實現定位與導航，則可以提升導航精準度、穩定性和抗干擾性。如二維碼導航就是采用了慣性感知技術與視覺掃描的感知技術組合應用，同時實現機器人本體與地面環境協同創新的協同導航技術。
原則上各種感知技術都可以組合應用，用于物流機器人導航，具體創新實踐中需要平衡導航性能要求與技術實現的成本，創新最佳性價比的導航解決方案。
2、多機器人場景協同導航
物流機器人應用場景常常是多機器人集群作業，具有更加復雜多變的動態環境，會遇到機器人運行和機器人故障的多種干擾，必須采用協同導航技術，通過協同定位方法，獲取當前各機器人的位置；通過路徑規劃方法對每一個機器人行進路徑進行規劃，并完成協調控制。
多機器人協同定位可以通過融合各個機器人的定位信息，通過融合各機器人的定位數據，實現互相校正，提高機器人群體的整體定位精度，增強抗干擾能力和魯棒性。多機器人路徑規劃因為存在更多約束和路徑規劃交叉沖突，是協同導航的技術難點，一般采用耦合式方法和解耦式方法。耦合式方法是將多機器人視為一個整體，將各機器人的所有自由度整合成一個多自由度空間，對其進行搜索和規劃。解耦式方法是對每個機器人進行獨立的路徑規劃，之后再通過協調方法對多個獨立路徑進行協調和修改，以解決沖突問題。
與群體機器人調度大腦智能計算相結合，將物流機器人的任務調度與多機器人路徑規劃結合起來，需要利用群體智能算法或其他智能算法，協同求解最優路徑和任務分配能夠極大地提升機器人群體的整體效能。
一一通公眾號
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