建筑工地經(jīng)濟(jì)型智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)探討

王嘉 羅苗 施彬 王黎立

摘要：采用多模傳感與圖像融合技術(shù)克服了環(huán)境光對機(jī)器視覺系統(tǒng)的影響，提高了AGV視覺導(dǎo)航精度，保障了運(yùn)輸安全；通過交互操作，可自由切換智能小車操控模式，實(shí)現(xiàn)了小車能夠自由進(jìn)出電梯等特殊場所作業(yè)，為建設(shè)工程中的智能二次搬運(yùn)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：建筑工地； AGV； 智能搬運(yùn)； 視覺導(dǎo)航

中圖分類號：TU689文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著電子、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的不斷革新，AGV技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，由于AGV具有高智能、高性能、機(jī)械化程度高、綠色、低成本等特征，在汽車行業(yè)［1-2］、家電制造業(yè)［3-4］、物流業(yè)［5-6］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。建筑工地等土木行業(yè)施工現(xiàn)場的二次搬運(yùn)作業(yè)多為機(jī)械的重復(fù)性勞動(dòng)，且工作環(huán)境有一定的危險(xiǎn)性，地面一般都作了硬化處理，這些特點(diǎn)也很適合發(fā)展經(jīng)濟(jì)型智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)技術(shù)。AGV智能小車可取代人工搬運(yùn)作業(yè)方式，減少勞動(dòng)力，降低人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，在建筑與土木工程領(lǐng)域具有很大市場發(fā)展前景。

故而國內(nèi)外大多學(xué)者對AGV智能搬運(yùn)展開了大量研究。武增禮等［7］將AGV智能搬運(yùn)技術(shù)合理運(yùn)用于煤礦工程，基于導(dǎo)航定位系統(tǒng)和圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了煤樣的智能收集；世家偉等［8］依托某公司生產(chǎn)的鋅錠智能搬運(yùn)AGV為例，借助數(shù)值仿真建模驗(yàn)算了基于改進(jìn)蟻群算法AGV路徑規(guī)劃方法的高效性和實(shí)用性；Fazlollahtabar等［9］ 綜合考慮了時(shí)間、成本、能力等因素，通過計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了自動(dòng)導(dǎo)引車（ AGV ）路徑問題網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)路徑；Michiko等［10］提出了一種基于特征場景識別與獲取的新方法，場景識別與獲取采用稀疏分布式記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ SDM ），根據(jù)識別和獲取的場景，利用Q-learning對AGV的導(dǎo)航路徑進(jìn)行學(xué)習(xí)，此方法實(shí)現(xiàn)了可驅(qū)動(dòng)多臺(tái)AGV自主地在工廠的機(jī)床之間運(yùn)送原材料作業(yè)；牟勝輝等［11］在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)踐的研究方法設(shè)計(jì)出了AGV貨架搬運(yùn)機(jī)器人，為物流倉儲(chǔ)行業(yè)的智能化運(yùn)輸提供了參考價(jià)值；任培華［12］大量調(diào)研了目前國內(nèi)外AGV小車在智能搬運(yùn)中存在的問題，通過歸納分類總結(jié)，最終提出了改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法來提高AGV智能小車的搬運(yùn)效率，現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證了優(yōu)化后AGV小車的高效性和實(shí)用性；高成沖等［13-14］通過現(xiàn)場實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的AGV設(shè)施布置規(guī)劃能夠有效降低物流運(yùn)輸成本，縮短產(chǎn)品上市周期.；黃畫恒等［15］結(jié)合機(jī)器人操作系統(tǒng)（ ROS ）、Visual Studio開發(fā)搬運(yùn)車控制系統(tǒng)和Jetson nano運(yùn)算平臺(tái)研發(fā)了新型AGV智能搬運(yùn)車，研究結(jié)果表明該智能AGV小車能夠完成日常貨物搬運(yùn)目標(biāo)，現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證了方案的可行性。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對AGV智能搬運(yùn)小車的研究主要集中在機(jī)器視覺、路徑規(guī)劃、搬運(yùn)效率等方面，研究領(lǐng)域主要為汽車行業(yè)和物流業(yè)，而目前將機(jī)器視覺、導(dǎo)航定位、智能交互以及自主安全意識等新技術(shù)新方法應(yīng)用于建筑工地AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)的研究還較少。本文提出了經(jīng)濟(jì)型智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)為建設(shè)工程中的二次搬運(yùn)提供了新的思路。AGV智能搬運(yùn)在建筑工地上的應(yīng)用可提高施工現(xiàn)場的二次搬運(yùn)效率與安全性，有利于施工企業(yè)降低施工成本，實(shí)現(xiàn)減員增效；同時(shí)有助于相關(guān)部門提高安全管控能力，減少安全事故、人員傷亡的發(fā)生概率，有利于推動(dòng)智慧工地的數(shù)字化信息化管理建設(shè)，具有良好的應(yīng)用前景。

1建筑工地智能AGV功能需求

1.1低成本移動(dòng)平臺(tái)

建筑工地二次搬運(yùn)移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用的場地，不像室內(nèi)車間和倉庫的場地那樣平整，且場地內(nèi)部雜物堆積，因此要考慮其具有一定的爬坡和越障能力；同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)自主進(jìn)出電梯的需求，就需具備小空間原地旋轉(zhuǎn)移動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)對施工電梯主動(dòng)呼叫功能。

目前實(shí)際應(yīng)用中的電動(dòng)助力型小車的控制機(jī)構(gòu)，均移植于電動(dòng)自行車的旋把式速度控制方式。但將這種控制方式用在人車分離的助力式電動(dòng)手推車上，若出現(xiàn)緊急情況，小車不易控制，存在安全隱患，故而在一些特殊情況下移動(dòng)平臺(tái)需要現(xiàn)場人工操作。

如圖1所示，目前已完成低成本移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)加工組裝完成，考慮穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向靈活性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的額定載重為500 kg，接近角45°與離去角60°。

1.2定位導(dǎo)航系統(tǒng)

建筑工地的環(huán)境有別于車間倉庫，建筑工地場地看似有結(jié)構(gòu)化場地的屬性，實(shí)則差異較大，建筑工地隨著建設(shè)進(jìn)度的推進(jìn)場地形態(tài)逐漸發(fā)生變化，這要求地圖的建圖方式要充分考慮這一特點(diǎn)，同時(shí)建圖應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，不像車間廠房中的一次固定建圖方式。

另外車間廠房內(nèi)的物品多為垂直，且地面平整，在這些場景中的主流的地圖建圖定位采用單線激光雷達(dá)，而建筑工地環(huán)境地面材料堆放形態(tài)隨機(jī)，加之地面平整度欠佳，這導(dǎo)致移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一定的顛簸及傾斜變化，這對單線激光掃描的建圖定位方式帶來了極大的誤差，因此需要研究更合適的建圖、定位與導(dǎo)航方式與算法。

1.3自主安全意識

建筑施工作業(yè)中為提高工作效率，理想的模式是多個(gè)機(jī)械設(shè)備能并行工作，提高場地的使用效率，在此環(huán)境下移動(dòng)平臺(tái)能安全可靠地在場地上完成搬運(yùn)任務(wù)就要求其具有自主的安全意識，利用機(jī)器視覺結(jié)合噪聲分析，識別移動(dòng)路線上人與設(shè)備運(yùn)動(dòng)趨勢，及時(shí)進(jìn)行移動(dòng)速度及路線的調(diào)整。

1.4人機(jī)交互接口

為了在上位機(jī)上調(diào)出移動(dòng)平臺(tái)所在場所的二維電子地圖，并在圖上標(biāo)出目標(biāo)位置，下發(fā)給移動(dòng)平臺(tái)并啟動(dòng)移動(dòng)，上位機(jī)只能看到移動(dòng)平臺(tái)的位置以及移動(dòng)方向速度。為了能更好地監(jiān)測管理上位機(jī)能在后臺(tái)實(shí)時(shí)接入移動(dòng)平臺(tái)獲取周邊環(huán)境視覺與噪聲信息，并視情況遠(yuǎn)程接管操控移動(dòng)平臺(tái)，考慮遠(yuǎn)程操控的時(shí)延性，可研究以降低信號延遲的本地與遠(yuǎn)程的移動(dòng)平臺(tái)操控融合。

2智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1三維重建精度實(shí)現(xiàn)技術(shù)

安全可靠的導(dǎo)航應(yīng)用需要遠(yuǎn)近大范圍的三維重建，考慮經(jīng)濟(jì)性及遠(yuǎn)近不同精度的需求，可研究合適的解決方案，比如組合利用單多目相機(jī)、環(huán)境中的先驗(yàn)知識的以及AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的里程計(jì)以及經(jīng)濟(jì)型的本地計(jì)算能力，最終獲得匹配工地環(huán)境AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)所需的最優(yōu)三維建模時(shí)空分辨精度的解決方案。

2.2經(jīng)濟(jì)建圖定位技術(shù)

建圖定位按照精確性和抗干擾及全天候環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段不同，導(dǎo)致建圖定位成本差異巨大。綜合考慮建筑工地二次搬運(yùn)這一特殊應(yīng)用場景，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是重要的考慮點(diǎn)，因此采用在現(xiàn)有技術(shù)中融合一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的建圖定位技術(shù)，是未來的發(fā)展趨勢。

借助實(shí)驗(yàn)室已有重載AGV平臺(tái)，在工地環(huán)境先行搭載多種定位設(shè)備，采集數(shù)據(jù)，測試UWB、GNSS-RTK以、激光雷達(dá)、組合單目多目視覺測距技術(shù)的實(shí)用性，如圖2所示，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析，決出最優(yōu)視覺定位導(dǎo)航算法系統(tǒng)。

2.3自主安全意識算法

自主安全意識是實(shí)現(xiàn)智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)移動(dòng)安全性的一個(gè)新技術(shù)，它組合了機(jī)器視覺動(dòng)作捕獲分析人的運(yùn)動(dòng)趨勢，同時(shí)對周邊空間環(huán)境的障礙物機(jī)器運(yùn)動(dòng)趨勢進(jìn)行分析識別，并結(jié)合一定的推理機(jī)制，進(jìn)而使移動(dòng)平臺(tái)具有一定的安全意識，并基于此采取簡單的聲像交互與運(yùn)動(dòng)控制來避免、減少安全事故的發(fā)生。

基于RGB-D相機(jī)對環(huán)境目標(biāo)識別、動(dòng)作捕獲以及麥克風(fēng)陣列的聲源定位與噪聲分析抑制處理。如圖3所示，在經(jīng)濟(jì)型移動(dòng)平臺(tái)研制的同時(shí)，利用已有的重載AGV平臺(tái)，搭建具有近距離雙目高精度主動(dòng)三維成像與遠(yuǎn)距離的單目大范圍較低精度的三維獲取的RGB-D相機(jī)，應(yīng)用機(jī)器視覺與噪聲分析算法，與機(jī)器學(xué)習(xí)推理和動(dòng)作捕獲技術(shù)，并融合窄波束超聲測距，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型移動(dòng)平臺(tái)的初級安全意識分析特色功能。

2.4經(jīng)濟(jì)型移動(dòng)平臺(tái)與交互操作

綜合考慮成本及使用環(huán)境因素，移動(dòng)平臺(tái)擬采用三輪方式，其中兩個(gè)差速驅(qū)動(dòng)輪，一個(gè)被動(dòng)萬向舵輪，為增強(qiáng)移動(dòng)平臺(tái)在坑洼地面的移動(dòng)性能，舵輪可升級為主動(dòng)輪。

為支持進(jìn)出電梯的需求，增加高性價(jià)比舵機(jī)實(shí)現(xiàn)多自由度的機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)基本的交互操作，典型的如按施工電梯的呼叫按鈕，另可擴(kuò)展簡單的手勢交互。在控制方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/遙控（圖4）/人工三種控制模式自由切換，同時(shí)為提高助力模式時(shí)的操控安全性，將人工助力的控制把手改造為更符合人體工學(xué)的力感方式。

3技術(shù)革新

3.1目前研究的不足

目前國內(nèi)外學(xué)者在機(jī)器視覺、建筑機(jī)器人等方面研究方向，特別是利用機(jī)器視覺在建筑墻、地面施工方面，已取得顯著研究成果，在智能建筑機(jī)器人、機(jī)器視覺、定位導(dǎo)航、信號處理及軟件編程方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但將研究結(jié)果直接用于建筑工地智能AGV二次搬運(yùn)卻存在幾點(diǎn)缺陷：

（1）環(huán)境光是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)檫@直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲。

（2）雨霧及玻璃等透明體也會(huì)影響基于可見光的機(jī)器視覺的應(yīng)用效果，通常采用后期圖像處理進(jìn)行增強(qiáng)、去噪，同時(shí)進(jìn)行空洞補(bǔ)償，但這些不可避免的造成誤差。

（3）智能AGV二次搬運(yùn)平臺(tái)自主移動(dòng)進(jìn)入施工電梯存在安全風(fēng)險(xiǎn)，并與現(xiàn)行的施工電梯安全管理制度有一定沖突。

3.2應(yīng)對策略

綜合考慮現(xiàn)有技術(shù)及經(jīng)濟(jì)成本，本項(xiàng)目采用多模傳感與圖像融合技術(shù)克服現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)。通過AI技術(shù)將一般攝像頭拍攝的可見光圖像與可穿透雨霧的電磁波雷達(dá)有效合成，同時(shí)采用超聲波測距應(yīng)對光和電磁波具有穿透性的障礙物，系統(tǒng)運(yùn)行雖然不能達(dá)到理想的精度和效率，但可保障安全性。

為使二次搬運(yùn)平臺(tái)自主乘坐施工電梯符合安全管理制度，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)的手動(dòng)模式，可退出自動(dòng)模式采用手動(dòng)模式進(jìn)入電梯，關(guān)閉二次搬運(yùn)平臺(tái)電動(dòng)車的車輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源，手動(dòng)拉起二次搬運(yùn)平臺(tái)的機(jī)械剎車，滿足施工電梯乘坐安全規(guī)范要求。

4結(jié)束語

本文采用多模傳感與圖像融合技術(shù)克服了環(huán)境光對機(jī)器視覺系統(tǒng)的影響，提高了AGV視覺精度，保障了運(yùn)輸安全；通過交互操作，可自由切換智能小車操控模式，實(shí)現(xiàn)了小車能夠自由進(jìn)出電梯等特殊場所作業(yè)，為建設(shè)工程中的智能二次搬運(yùn)提供了新的思路。

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［作者簡介］王嘉（1983—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑施工技術(shù)方面工作。

［通信作者］羅苗（1992—），女，本科，工程師，主要從事建筑施工技術(shù)管理工作。