智能化物流搬運(yùn)機(jī)器人（AGV）的探討*

孫 健，吳建美

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

AGV屬于一種無人駕駛且擁有搬運(yùn)功能的自動(dòng)導(dǎo)航裝置，其能夠依據(jù)預(yù)設(shè)好的程序，并依照車載傳感器給定的位置信息，沿著規(guī)劃好的路線自動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)與?？?，已被廣泛應(yīng)用到許多生產(chǎn)物流場合以及具備自動(dòng)化功能的立體倉庫貨庫的自動(dòng)搬運(yùn)中[1]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活需求也越來越多，傳統(tǒng)的物流搬運(yùn)已經(jīng)不能滿足人們需求[2]。并且傳統(tǒng)的物流搬運(yùn)需要花費(fèi)大量人力，很多物流行業(yè)在前期因要花費(fèi)大量人力與時(shí)間而難以發(fā)展起來。將裝有AGV的物流搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用到物流行業(yè)中，可以減少物流業(yè)人力與時(shí)間的消耗，減少物流業(yè)發(fā)展壓力。物流業(yè)只需將物流搬運(yùn)機(jī)器人布置好，后期定期檢查搬運(yùn)機(jī)器人，幾乎完全解放了人力，這種工作方式不僅能減少物流業(yè)的消耗，而且能夠適應(yīng)當(dāng)代行業(yè)發(fā)展潮流。

1 AGV的組成

AGV的組成包括內(nèi)部車身、步行控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和聲光報(bào)警系統(tǒng)等[3]。AGV的車身是AGV的物理主體部分，由車架和相應(yīng)的機(jī)械裝置所組成，是其他總成部件的安裝基礎(chǔ)。當(dāng)AGV小車在行駛中或在加速和減速期間，框架必須滿足所需的剛度和強(qiáng)度要求，且在達(dá)到剛度和強(qiáng)度要求后，需要較大的空間裝配LCD屏幕電源插頭、電氣產(chǎn)品的控制設(shè)備、頂部運(yùn)輸設(shè)備和組件等。AGV步行控制系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)中的主設(shè)備，借助這種控制裝置可以根據(jù)更多用戶的市場需求正常驅(qū)動(dòng)AGV，并可以隨時(shí)制動(dòng)。通訊系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)AGV與地面控制站及地面監(jiān)控設(shè)備之間的信息交換，通訊系統(tǒng)通常有兩種模式可供選擇：連續(xù)通訊和漂移通訊。當(dāng)AGV以兩種模式與車輛狀態(tài)通信時(shí)，與主機(jī)的通信將中斷，因此可以從頭到尾使用它，在可監(jiān)控圖片的當(dāng)前狀態(tài)下保持良好的AGV狀態(tài)；當(dāng)AGV車處于通訊模式時(shí)，AGV小車與主機(jī)的通訊將完全是自主的，并且可以直接交換各種信息。聲光報(bào)警系統(tǒng)是一種報(bào)警信號裝置，該裝置主要通過聲音和各種光來向人們發(fā)出示警信號。

2 AGV系統(tǒng)的導(dǎo)航方式

AGV更多的是關(guān)系到整個(gè)物流運(yùn)輸系統(tǒng)的靈活性，它極大地影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，AGV系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)導(dǎo)航方法是一個(gè)非常重要的組成部分。正因如此，近年來國內(nèi)外知名人士對AGV系統(tǒng)中的路徑導(dǎo)航方法的深入研究仍然相當(dāng)活躍。許多基層科技工作者將各種高科技技術(shù)相結(jié)合，明確提出了許多令人耳目一新的導(dǎo)航地圖方法。這積極推動(dòng)了AGV導(dǎo)航核心技術(shù)的快速發(fā)展。到目前為止，AGV系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中最常用的方法包括激光束地圖導(dǎo)航、電磁脈沖手機(jī)導(dǎo)航、視覺感知GPS導(dǎo)航等[4]。

2.1 激光束地圖導(dǎo)航

目前，成熟的制導(dǎo)方法是脈沖激光路徑導(dǎo)航。激光束地圖導(dǎo)航的基本原理是：在工作現(xiàn)場固定由材料制成的具有高反射率的指示牌，然后在AGV上安裝脈沖激光直接掃描儀，再掃描脈沖激光。受到標(biāo)記光反射的周圍激光束的引導(dǎo)，通過分裂鉆石的基本原理計(jì)算AGV的方位角與實(shí)際情況之間的距離，可以計(jì)算出AGV車輛的位置，全局建立坐標(biāo)系中的車身坐標(biāo)位置，以實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。它不需要像磁帶路線導(dǎo)航那樣在地面上鋪設(shè)設(shè)施。脈沖激光導(dǎo)航地圖算法的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)非常成熟，并且可以非常精確地定位。這種GPS導(dǎo)航方法仍被更廣泛地使用，并且AGV也被各種手機(jī)制造商所追求。如今隨科技的發(fā)展，這種導(dǎo)航方式也越來越普及。若物流搬運(yùn)機(jī)器人AGV系統(tǒng)運(yùn)用這種導(dǎo)航方式，能夠準(zhǔn)確的定位，將貨物準(zhǔn)確的搬運(yùn)至指定目的地，且能大概率減少機(jī)器人發(fā)生碰撞情況的發(fā)生，能夠大幅提高物流搬運(yùn)效率。

2.2 電磁脈沖手機(jī)導(dǎo)航

在膠帶式手機(jī)導(dǎo)航中，膠帶管道鋪設(shè)在道路上，而在發(fā)電機(jī)路線導(dǎo)航中，電線準(zhǔn)備預(yù)先埋在地下室中。相反，電磁地圖導(dǎo)航方法具有較高的靈活性，并且可以更輕松更改地圖導(dǎo)航。這種導(dǎo)航地圖方法由于盒式磁帶被放置在地面上，因此很容易損壞或弄臟。這種方法也容易受到外部不確定性影響。由于磁帶導(dǎo)航地圖方法對環(huán)境有非常嚴(yán)格的要求，必須將環(huán)境附著在地面上以具有更好的基本條件。這種導(dǎo)航方式相對于其他方式來說布置較簡單，也是很多物流行業(yè)所選擇的導(dǎo)航方式。

2.3 視覺感知GPS導(dǎo)航

視覺感知GPS導(dǎo)航的工作原理是：使用CCD后編輯機(jī)快速獲取AGV駕駛車輛圖像信息的內(nèi)容，然后獲取包括計(jì)算機(jī)視覺感知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理以定位AGV，在一個(gè)方向上駕駛車輛，這種路線導(dǎo)航方法有兩種：固定路線方法和自由路線方法?？梢怨潭ǜ淖兎绞?。一般而言，CCD安裝在AGV車身的前方，視線在AGV前方的道路上。同時(shí)，AGV有一條導(dǎo)航標(biāo)記線，可以在車輛領(lǐng)域進(jìn)行識別。AGV可以根據(jù)捕獲的手機(jī)導(dǎo)航標(biāo)記圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識別GPS導(dǎo)航線，并自動(dòng)彎曲車輛的基本行駛路徑。如果AGV系統(tǒng)中存在相對較好且持續(xù)有效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，則AGV可能難以自動(dòng)識別有關(guān)其實(shí)現(xiàn)路徑的各種信息。如今，許多研究機(jī)構(gòu)和高校也在通過從多個(gè)角度捕獲圖像數(shù)據(jù)來研究具有多個(gè)CCD攝像機(jī)的AGV系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)視覺感官的主要原理來合成靜態(tài)圖像的三維信息內(nèi)容，不僅可以看到周圍的事物，還可以測量AGV對象的形狀和物體的距離。隨著CCD攝像機(jī)和微型處理器的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)視覺感知制導(dǎo)方法以其較低的市場價(jià)格、更高的精度和更大的靈活性而受到越來越多的關(guān)注。

3 導(dǎo)航標(biāo)示線的圖像處理

3.1 導(dǎo)航的基本原理

白色標(biāo)記線在地面上，兩條白色標(biāo)記線在邊緣水平。然后使用照相相機(jī)捕獲GPS導(dǎo)航標(biāo)記線，再使用人工智能算法處理圖像內(nèi)容以獲得導(dǎo)航地圖標(biāo)記線的邊緣。機(jī)器學(xué)習(xí)算法根據(jù)導(dǎo)航地圖標(biāo)記線直接提取最終的移動(dòng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并直接用于確定汽車頭部相對于標(biāo)記線的位置和姿態(tài)，從而使導(dǎo)航地圖信息編號為傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)和控制系統(tǒng)。搬運(yùn)機(jī)器人通過導(dǎo)航能夠?qū)⒇浳餃?zhǔn)確、安全的運(yùn)送至目的地，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.2 導(dǎo)航標(biāo)示線的閾值分割

在此研究中使用了單色相機(jī)，獲得的彩色圖像為黑白圖像。如果通過圖像增強(qiáng)操作顯著增強(qiáng)了各種彩色圖像，則靜態(tài)圖像的質(zhì)量將不會(huì)得到顯著改善，并且將花費(fèi)大量時(shí)間，這不利于視覺體驗(yàn)。地圖導(dǎo)航系統(tǒng)中不需要實(shí)時(shí)處理。因此，在本研究中，首先獲得了地圖導(dǎo)航圖分析。對于彩色圖像分離，各種圖像分割方法的定義是將圖像數(shù)據(jù)的主要特征（例如顏色、灰度、3D形狀以及更多的空間紋理）劃分為許多非隔行掃描區(qū)域。不同區(qū)域內(nèi)各種花型的顯著特征應(yīng)更一致或更相似，不同區(qū)域之間的差異應(yīng)更明顯。必須達(dá)到的理想效果是將非常感興趣的事物放在圖像的很大一部分中，并從靜態(tài)圖像中獲得分割方法，這為后續(xù)處理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)封面圖片也可以通過其典型的色彩特征來區(qū)分。在我國目前的自動(dòng)機(jī)器視覺感知領(lǐng)域，利用不同顏色特征對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和后續(xù)處理仍然是市場的主流。利用整體顏色顯著性特征對靜態(tài)圖像進(jìn)行處理，涉及到各種圖像在顏色上的組合表示。每種模式都有自己的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體問題建立一個(gè)能代表物體顏色的整體色彩模型。閾值分割是一種非常經(jīng)典的圖像數(shù)據(jù)分割方法。該方法的最終數(shù)據(jù)量小，人工智能算法比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)簡單方便。因?yàn)樵陟o態(tài)圖像分割的核心領(lǐng)域中，這種通用方法顯然是使用最廣泛的方法，這是最基本的分割方法。根據(jù)靜態(tài)圖像的像素特性，很明顯每個(gè)像素都有不同的閾值，并且彩色圖像分為幾個(gè)部分。通常會(huì)使用算法來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)或從原始靜態(tài)圖像獲得典型色彩特征，從各種原始自然圖像的色彩平衡顯著特征或變換后的顏色特征的顯著特征中獲得的一些主要特征。將靜態(tài)圖像分為兩部分是計(jì)算機(jī)視覺中所有處理方法的先驅(qū)。在圖像內(nèi)容分割的過程中，關(guān)鍵是如何選擇最合適的閾值。在圖像內(nèi)容的白線區(qū)域和背景環(huán)境區(qū)域中，相同區(qū)域中的像素在坐標(biāo)定位位置和灰度級時(shí)具有良好的高度統(tǒng)一性和連接性。用于主要區(qū)域總體規(guī)劃的全局閾值方法的意識形態(tài)概念是以組合形式處理像素域的基本特征，這是基于用戶像素的常見方法。

4 AGV的設(shè)計(jì)思路

物流搬運(yùn)機(jī)器人AGV是電學(xué)、光學(xué)、控制學(xué)和自動(dòng)化等多種學(xué)科交叉的一種復(fù)雜智能化機(jī)器[5]。AGV的設(shè)計(jì)主要分三步進(jìn)行，分別為傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。AGV的總體構(gòu)成如圖1所示。傳感系統(tǒng)包括二維碼識別、圖像識別和路徑規(guī)劃，控制系統(tǒng)包括通訊模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和報(bào)警模塊，執(zhí)行系統(tǒng)包括抓取動(dòng)作和行走動(dòng)作。通過系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與配合，可以實(shí)現(xiàn)物流搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)獲取信息、自主抓取物品、按規(guī)劃路線行走及物流搬運(yùn)等功能。在設(shè)計(jì)AGV的過程中，要充分考慮到這三大組成部分之間的聯(lián)系，繼而設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)條件的AGV機(jī)器人。

圖1 AGV總體構(gòu)成

5 結(jié)束語

AGV是具有搬運(yùn)功能的智能型運(yùn)輸工具，其在多個(gè)學(xué)科技術(shù)的綜合運(yùn)用下通過智能傳感器對外界的環(huán)境進(jìn)行了感知，然后再將各傳感器之間的信息整合使用中央處理器對整理后的信息進(jìn)行計(jì)算，從而得出結(jié)果。隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，傳統(tǒng)物流搬運(yùn)將被時(shí)代所淘汰，新型的物流搬運(yùn)機(jī)器人將會(huì)在嶄露頭角。若將AGV充分運(yùn)用于物流搬運(yùn)機(jī)器人中，將會(huì)大幅提高物流行業(yè)的發(fā)展水平，也將推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。文章介紹了物流搬運(yùn)機(jī)器人AGV系統(tǒng)的組成，繼而對三種不同的導(dǎo)航方式進(jìn)行特征描述，在此基礎(chǔ)上講解了導(dǎo)航標(biāo)示線的圖像處理，提出了AGV的設(shè)計(jì)思路。展望未來，裝有AGV系統(tǒng)的物流搬運(yùn)機(jī)器人相對于傳統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人來說，有很高的自動(dòng)化能力，這能夠有效減少物流業(yè)人力與時(shí)間的消耗，減少物流業(yè)發(fā)展的壓力。隨著時(shí)代的發(fā)展，智能化物流搬運(yùn)機(jī)器人終將會(huì)普及到所有的物流行業(yè)中，為相關(guān)行業(yè)發(fā)展助力。