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基于視覺與慣性定位的自主導航AGV裝置研發(fā)

一、項目簡介自動導航運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）是裝有自動導航裝置，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、安全保護裝置以及各種物料移載功能的搬運車輛。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。當前AGV主要導航方式為有軌導航（固定路徑）和無軌導航（柔性路徑）。傳統(tǒng)有軌導航AGV主要采用有軌導航方式，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行，其靈活性和柔性受到限制。無軌導航AGV不需要任何場地施工、具備自由路徑導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。這種無軌的自主導航系統(tǒng)（自由路徑規(guī)劃和決策）具有更高的引導柔性，能夠更高效、靈活地完成物料的搬運任務(wù)。隨著車間物流和生產(chǎn)流程日益復雜多變，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、內(nèi)部物流的AGV機器人平臺，具有效率高，易于操作、使用靈活且安全等特點。項目研究的這種AGV是第三代柔性移動機器人，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屬于自主導航機器人，具備全柔性：無軌導航，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)實意義和市場前景。二、前期研究基礎(chǔ) 研究團隊已經(jīng)開工研究面向柔性物料搬運和物流配送的新一代AGV機器人，服務(wù)于需混合導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器人，綜合了激光、視覺、慣性導航和自主規(guī)劃決策與人機交互技術(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機器人樣機，正進行驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)可靠性與性能指標的測試。當前正在的研究工作和目標是，進一步完善AGV基本機型設(shè)計，實現(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)進行開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)視覺引導與目標識別、跟蹤、避讓；進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. 仲訓昱, 田軍, 龐聰, 彭俠夫, 曾建平. 基于前傾 2D 激光雷達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. 仲訓昱, 王祥, 陳映冰, 彭俠夫. 基于 A*提取引導點的 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. 國家實用新型專利, 專利號： 201720606992.1 三、應(yīng)用技術(shù)成果（一）導航控制系統(tǒng)設(shè)計研究團隊開發(fā)了一種全柔性自主式AGV機器人, 其導航控制系統(tǒng)如下圖所示，特點有： 1）采用這種模塊化的系統(tǒng)平臺, 搭建激光導航AGV產(chǎn)品, 可實現(xiàn)降低制作成本30%-50%; 2）結(jié)合視覺/慣性定位和特殊運動機構(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)鍵路徑點的全局路徑規(guī)劃方法以AGV半徑障礙進行膨脹，建立初始柵格地圖；通過風險評估函數(shù)對障礙周圍節(jié)點的風險等級進行評估，獲得帶有風險區(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。（三）基于位-姿交替控制的路徑跟蹤與避讓/運動協(xié)調(diào)方法研究了局部環(huán)境建模與自適應(yīng)窗口的實時避障方法，同時還研究了基于復合速度障礙法的分布式運動規(guī)劃算法，在各種移動服務(wù)機器人與AGV搬運機器人相互協(xié)調(diào)避讓的運動規(guī)劃中等具有很好的應(yīng)用前景。機器人以關(guān)鍵路徑點為引導點并不斷實時切換、更新引導點，進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。 3)下位機功能模塊設(shè)計：處理實時性較高的任務(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)運動機構(gòu)及外觀設(shè)計：兩輪差動驅(qū)動＋兩輪隨動”的四輪運動機構(gòu)，比六輪機構(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、機臺升級與技術(shù)改造、工程配電與軟件優(yōu)化、專用機控制系統(tǒng)開發(fā)、多軸機的設(shè)計與開發(fā)、機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 2021-04-11

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