基于視覺與慣性定位的自主導(dǎo)航AGV裝置研發(fā)
一、項目簡介 自動導(dǎo)航運(yùn)輸車(Automated Guided Vehicle,AGV)是裝有自動導(dǎo)航裝置,能夠沿規(guī)定的路徑行駛,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。廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子、紡織、食品、煙草、物流倉儲等行業(yè)和領(lǐng)域。 2016年中國AGV市場銷售量7350臺,市場規(guī)模達(dá)12.08億元,同比增長37.7%。2017年中國市場AGV銷量有望突破10200臺,同比增速超38%。特別是新一代完全柔性的AGV機(jī)器人將在各種場景下得到應(yīng)用,新的AGV增量市場正在醞釀過程中。 當(dāng)前AGV主要導(dǎo)航方式為有軌導(dǎo)航(固定路徑)和無軌導(dǎo)航(柔性路徑)。傳統(tǒng)有軌導(dǎo)航AGV主要采用有軌導(dǎo)航方式,雖然簡單易行、路徑跟蹤可靠性好,但靈活性和柔性差;新的激光導(dǎo)航方式,在應(yīng)用時具有更高的柔性,但目前大多數(shù)是采用反射板和三角定位原理進(jìn)行,其靈活性和柔性受到限制。 無軌導(dǎo)航AGV不需要任何場地施工、具備自由路徑導(dǎo)航和智能避讓能力的AGV,越來越受到行業(yè)的重視,是重要發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。這種無軌的自主導(dǎo)航系統(tǒng)(自由路徑規(guī)劃和決策)具有更高的引導(dǎo)柔性,能夠更高效、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)。隨著車間物流和生產(chǎn)流程日益復(fù)雜多變,對柔性供送、自主規(guī)劃決策的新一代AGV需求迫切。 本項目致力于開發(fā)面向柔性物料搬運(yùn)、內(nèi)部物流的AGV機(jī)器人平臺,具有效率高,易于操作、使用靈活且安全等特點(diǎn)。項目研究的這種AGV是第三代柔性移動機(jī)器人,綜合了激光、視覺、慣性定位和自主規(guī)劃決策技術(shù),是未來的移動解決方案。(智能化工具化),適應(yīng)于巡檢和商城、賓館、醫(yī)院等場所的內(nèi)部配送。 項目研究全新一代AGV屬于自主導(dǎo)航機(jī)器人,具備全柔性:無軌導(dǎo)航,不需要場地布設(shè),全軟件化,應(yīng)用更廣(內(nèi)部物流、人機(jī)協(xié)作等)。具備自主性:自動路徑規(guī)劃、自動避障、自動跟蹤、相互協(xié)作、自動充電等智能決策。項目研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和市場前景。 二、前期研究基礎(chǔ) 研究團(tuán)隊已經(jīng)開工研究面向柔性物料搬運(yùn)和物流配送的新一代AGV機(jī)器人,服務(wù)于需混合導(dǎo)航與自由路徑功能的新興AGV市場,目前研發(fā)的這種AGV是第三代高級移動機(jī)器人,綜合了激光、視覺、慣性導(dǎo)航和自主規(guī)劃決策與人機(jī)交互技術(shù),是未來的移動解決方案(智能化工具化)。累計完成投資150萬元,已和廈門萬久公司開展省高校產(chǎn)學(xué)項合作目(基于視覺與慣性定位的AGV裝置研發(fā)),設(shè)計完成了AGV機(jī)器人樣機(jī),正進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)可靠性與性能指標(biāo)的測試。 當(dāng)前正在的研究工作和目標(biāo)是,進(jìn)一步完善AGV基本機(jī)型設(shè)計,實(shí)現(xiàn)激光SLAM、里程/IMU慣性定位、自主路徑規(guī)劃與跟蹤;對AGV的RGB-D視覺系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計,實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)與目標(biāo)識別、跟蹤、避讓;進(jìn)行終端控制軟件開發(fā),形成產(chǎn)品應(yīng)用解決方案。 已發(fā)表的與項目相關(guān)的主要論文SCI論文5篇,EI論文20余篇。主要發(fā)明專利有:1. 仲訓(xùn)昱, 田軍, 龐聰, 彭俠夫, 曾建平. 基于前傾 2D 激光雷達(dá)移動掃描的路面與障礙檢測方法. 國家發(fā)明專利(受理中)2. 仲訓(xùn)昱. 基于虛擬掃描與測距匹配的 AGV 激光 SLAM 方法. 國家發(fā)明專利(申請?zhí)枺?01710504910.7, 受理中). 3. 仲訓(xùn)昱, 李躍亮, 彭俠夫. 面向智能車自主充電的柔性對接裝置. 國家發(fā)明專利(申請?zhí)枺?nbsp;201710389598.1, 受理中)4. 仲訓(xùn)昱, 王祥, 陳映冰, 彭俠夫. 基于 A*提取引導(dǎo)點(diǎn)的 AGV 路徑跟蹤與避障協(xié)調(diào)方法.國家發(fā)明專利(申請?zhí)枺?nbsp;201710043581.0, 受理中)5. 仲訓(xùn)昱, 李躍亮, 劉嘉偉, 彭俠夫. 一種面向智能車自主充電的柔性對接裝 置. 國家實(shí)用新型專利, 專利號: 201720606992.1 三、應(yīng)用技術(shù)成果 (一)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計 研究團(tuán)隊開發(fā)了一種全柔性自主式AGV機(jī)器人, 其導(dǎo)航控制系統(tǒng)如下圖所示,特點(diǎn)有: 1)采用這種模塊化的系統(tǒng)平臺, 搭建激光導(dǎo)航AGV產(chǎn)品, 可實(shí)現(xiàn)降低制作成本30%-50%; 2)結(jié)合視覺/慣性定位和特殊運(yùn)動機(jī)構(gòu), 支持各種場景下的使用、簡易且節(jié)省人工成本。 (二)地圖表示和基于A*提取關(guān)鍵路徑點(diǎn)的全局路徑規(guī)劃方法 以AGV半徑障礙進(jìn)行膨脹,建立初始柵格地圖;通過風(fēng)險評估函數(shù)對障礙周圍節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險等級進(jìn)行評估,獲得帶有風(fēng)險區(qū)域的安全柵格地圖。在安全地圖上通過A*算法規(guī)劃全局路徑,在得到的全局路徑上提取關(guān)鍵路徑點(diǎn)。 (三)基于位-姿交替控制的路徑跟蹤與避讓/運(yùn)動協(xié)調(diào)方法研究了局部環(huán)境建模與自適應(yīng)窗口的實(shí)時避障方法,同時還研究了基于復(fù)合速度障礙法的分布式運(yùn)動規(guī)劃算法,在各種移動服務(wù)機(jī)器人與AGV搬運(yùn)機(jī)器人 相互協(xié)調(diào)避讓的運(yùn)動規(guī)劃中等具有很好的應(yīng)用前景。 機(jī)器人以關(guān)鍵路徑點(diǎn)為引導(dǎo)點(diǎn)并不斷實(shí)時切換、更新引導(dǎo)點(diǎn),進(jìn)行路徑跟蹤與障礙避讓的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 (四)基于地圖匹配的AGV激光SLAM方法 虛擬掃描與測距匹配法:增量式創(chuàng)建柵格地圖,采用虛擬激光雷達(dá)掃描與基于測距的快速輪廓匹配。 LATTICE SLAM方法:綜合采用了高斯牛頓迭代法、地圖匹配表、概率地圖和高低兩層地圖等策略。 (五)AGV系統(tǒng)特色設(shè)計 1)雙層控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高可靠性、實(shí)時性和靈活性。 2)基于ROS的軟件設(shè)計,采用NVIDIA 的TK1超級計算平臺作為主控計算機(jī)。 3)下位機(jī)功能模塊設(shè)計:處理實(shí)時性較高的任務(wù),如里程計/IMU推算定位、安全速4)度控制、超聲波/防撞條避碰處理等。 5)運(yùn)動機(jī)構(gòu)及外觀設(shè)計:兩輪差動驅(qū)動+兩輪隨動”的四輪運(yùn)動機(jī)構(gòu),比六輪機(jī)構(gòu)具有更好的地面適應(yīng)性;采用橡膠輪,減震和靜音效果好。 6)自動充電對接裝置設(shè)計:通過柔性連桿的彎曲形變來實(shí)現(xiàn)充電接口和充電接頭的柔順對接。 四、合作企業(yè) 廈門萬久科技股份有限公司是一家集銷售、軟件研發(fā)、技術(shù)服務(wù)、加工技術(shù)整合為一體的高新技術(shù)企業(yè)。目前公司的經(jīng)營范圍涉及CNC軟件開發(fā)及數(shù)控系統(tǒng)銷售、CNC控制零件銷售及專業(yè)維修;工藝優(yōu)化、機(jī)臺升級與技術(shù)改造、工程配電與軟件優(yōu)化、專用機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)、多軸機(jī)的設(shè)計與開發(fā)、機(jī)臺精度檢測與校正優(yōu)化服務(wù)等。公司是國際知名生產(chǎn)制造企業(yè)——富士康的產(chǎn)品供應(yīng)商和技術(shù)服務(wù)商。
廈門大學(xué)
2021-04-11