配图-工博士移动机器人

一、AGV与AMR的区别

近两年以来，移动机器人行业内对AGV和AMR的争论变得越来越引人注目。从英文字面来看，AGV（Automated Guided Vehicle）是“自动导引车”，是指基于一定的导航定位技术、不需要人工驾驶的自动运输车辆；而AMR（Autonomous Mobile Robot）是“自主移动机器人”，即具有自主决策能力的移动机器人。虽然AGV和AMR都有一个字母“A”，但是“此A非彼A”。AMR的“A”代表的是Autonomous（自主），而AGV中的“A”代表的是Automated(自动)，我们可以体会到两者之间细微的不同。

目前不少的移动机器人生产企业出于宣传的目的都乐于把自己的产品称作AMR，这当然无可厚非。但是笔者认为，一个产品要真正成为自主式的移动机器人，它至少应当满足下面两个条件：第一，移动机器人应能够在自然环境下运行而不必依赖于人工部置的“人造环境”；第二，移动机器人应当具有自主的决策和规划能力，而不是简单地完全听命于远程的调度。目前市面上的许多移动机器人都需要依靠地面标识物(如磁带、色带、二维码等)进行导航，这显然不满足“自主”导航的要求。而自主规划能力指的是机器人应能够在遇到障碍物时进行自主避让，并能够聪明地选择最优路线到达目标地点。

由于AMR具有自主决策和规划的能力，所以它更适于在复杂的动态环境内作业。特别是在一些服务民生领域、一些人和机器人需要密切协作的领域，未来的应用场景非常多，所以笔者非常看好AMR的应用前景和技术发展。尽管AMR具有上面所说的优势，我们并不能简单地把AMR看成是AGV的终结者和替代者。事实上，有一些传统应用领域确实更适合AGV，只是AMR将成为未来移动机器人增量市场的主力军。

二、主流AGV导航优缺点

1.激光导航

优点：方便安装，无需破坏性安装，精确定位，高速，无维护费用

缺点：变更需要专业人员，造价较贵

2.磁带导航

优点：方便安装、方便更改路径、无需破坏性安装、精确定位、可靠、造价低

缺点：磁条需维护、磁条费用、不适合复杂路径

3.视觉轮廓

优点：方便安装、容易增加或更改路径、安装费用低、无需破坏性安装、维护无成本

缺点：造价较高、同其他导航方式对比精度较差

4.磁钉导航

优点：环境随意、精确定位、维护无成本

缺点：安装简单，单比磁条方式复杂、磁带安装更快，更容易更改路径

5.自然轮廓

优点：可靠性高，技术成熟；建图直观，精度高，不存在累计误差；地图可用于路径规划

缺点：受lidar探测范围限制；安装有结构要求；地图缺乏语义信息

6. 复合导航

优点：二维码+惯性，激光+磁钉、自然轮廓+磁带等多种方式，可适应各种复杂场景，定位精度高。

缺点：变更需要专业人员、造价较贵

三、三类AGV外部传感器

外部传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境发生相互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。

1 接近觉传感器

1.1 接触式接近觉传感器

接触式接近觉传感器采用最可靠的机械检测方法，用于检测接触与确定位置。机器人通过微型开关和相应机械装置结合实现接触检测。

移动机器人采用高可靠性的接触式防碰开关

1.2 感应式接近觉传感器

（1）电涡流式接近觉传感器

导体在一个不均匀的磁场中运动或处于一个交变磁场中时，其内部就会产生感应电流。这种感应电流称为电涡流，这一现象称为电涡流现象。利用这一原理可以制作电涡流传感器。电涡流式接近觉传感器通过通有交变电流的线圈向外发射高频变化的电磁场，处在磁场周围的被测导电物体就产生了电涡流。由于传感器的电磁场方向相反，两个磁场相互叠加削弱了传感器的电感和阻抗。若用电路把传感器电感和阻抗的变化转换成转换电压，则能计算出目标物与传感器之间的距离。该距离与转换电压成正比，但存在一定的线性误差。对于钢或铝等材料的目标物线性误差为±0.5%。

电涡流传感器外形尺寸小，价格低廉，可靠性高，抗干扰能力强，而且检测精度也高，能够检测到0.02mm的微量位移。但是该传感器检测距离短，一般只能测到13mm以内，且只能对固态导体进行检测，这是其不足之处。

移动机器人采用感应式接近传感器检测举升位置

（2）电容式接近觉传感器

电容式接近觉传感器的结构和原理十分简单，它通过距离变化使电容值发生改变来实现测量。电容式接近觉传感器能对多种金属、非金属及人体进行检测，使用范围较广。与只能检测铁磁材料的感应型接近觉传感器不同，电容式接近觉传感器能够检测所有固体和液体材料。

（3）光电式接近觉传感器

光电式接近觉传感器由用作发射器的光源和接收器两部分组成，光源可以在内部，也可以在外部，接收器能够感知光线的有无。光电式接近觉传感器由发光二极管和光敏晶体管组成，采用最简单的光强法检测。发光光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接收，接收到的光强和传感器与目标的距离有关。

输出信号的大小反映了从目标物体反射回接收元件的光强。这个信号的大小不仅与检测距离有关，同时也受被测物体表面光学特性和表面倾斜等因素的影响。将红外信号调制成某一特定频率，可大大提高信噪比。

移动机器人采用光电式接近传感器检测货物位置

光电式接近觉传感器具有测量速度快、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点，是目前机器人中应用最多的接近觉传感器。

移动机器人采用光电式接近传感器检测货物位置

2 力觉传感器

力觉传感器根据力的检测方式不同，可分为应变片式、利用压电元件式及差动变压器、电容位移计式。其中，应变片式压力传感器应用最普遍，商品化的力觉传感器大多是这一种。

压电元件很早就用在刀具的受力测量中，但它不能测量静态负载。电阻应变片式压力传感器是利用金属拉伸时电阻变大的现象，将它粘贴在加力方向上，可根据输出电压检测出电阻的变换。通过电阻应变片可以将试件的应变转换成应变片的电阻变化，通常这种电阻变化很小。测量电路有多种，惠斯登电桥电路是最常用的电路。

惠斯登电桥电路放大应变片的微弱变化

在不加力时，点桥上的电阻都是R，当应变片受力时，电阻应变片产生一个很小的电阻变化，则输出电压为：

移动机器人采用力觉传感器检测货物重量

3 视觉传感器

(1)单目摄像头

单目摄像头即具有一个镜头的摄像头，它无法直接获得目标的三维坐标，只能提取目标物体的特证，得到目标物体在二维平面内的相对位置。

移动机器人采用单目摄像头获取位置信息

(2)双目摄像头

双目摄像头具有两个镜头，可理解为两个单目摄像头的结合，主要应用于提取出目标的三维坐标，这些信息可以直接调整机器人在运动中的运动参数。但是传统的三维提取首先需要知道摄像机的准确焦距信息，针对该摄像头的变参数进行图像校正；然后对左、右摄像机分别采集到的图像中的目标特征点进行匹配；最后利用其相互关系推算出目标点的深度信息。

移动机器人采用双目摄像头检测物体深度信息

(3)云台摄像头

云台是安装、固定摄像机的支撑设备。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。该云台内装两个电动机，这两个电动机一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。

每种传感器都有各自的优缺点，在移动机器人的设计过程中就是要确定需要哪种传感器或具体应用哪种传感器最合适。

四、AGV技术-激光导航的激光是什么？

激光的相关知识

激光自发明以来以惊人的速度不断发展，目前以通信行业为首，被广泛应用于建筑、制造业、医疗、军事等各种领域。然而，激光包括很多种类，并且具备各种不同的“特性”。我们需要根据目的区分使用这些激光，因此，掌握这些激光“特性”就显得至关重要。

在AGV行业中，有一种导航技术“激光导航”。激光导航是采用二维激光导航传感器获取环境中的测量数据，然后将测量数据进行运算进而得到AGV的坐标信息。

因此在从事激光导航AGV行业的工程师，激光是什么？应该对激光相关基础知识有所了解与掌握。

什么是激光？

LASER 是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（光受激辐射放大）的各首字母组 成的缩写词。Laser 为人工光源，具有与自然光不同的特性，因此开发成实用技术被广泛应用于各种领域，例如激光导航、激光测距、激光切割等等。

激光的用途

激光可直线传播到很远，并且可聚集在较小范围等，人们活用这些特性，广泛应用激光。激光市场不断扩大，正在帮助制造业提高生产效率和品质。

关于激光的特性

1单色性

自然光包含从紫外线到红外线等多种波长的光。相对而言，激光为单一波长的光，其特性称之为单色性。单色性的优点在于可提高光学设计的灵活性。光的折射率因波长不同而产生变化，自然光穿过镜头时，会因内含不同种类的波长，而产生扩散现象。这种现象称为色差。另一方面，激光为单一波长的光，只会朝相同方向折射。例如，摄像头的镜头需要具备可校正因颜色导致的失真的设计，但激光仅需考虑该波长即可，因此光束可长距离传送，实现小光斑聚光的精密设计。

2指向性

指向性是指声音或光线在空间内前进时不易扩散的程度，指向性较高则表示扩散小。自然光包含朝各种方向扩散的光，为提高指向性，需要靠复杂的光学系统去除前进方向以外的光。相对而言，激光为指向性较高的光，让激光不扩散而直线前进，在光学设计上较为容易，可进行长距离传送等。

3相干性

相干性表示光容易相互干扰的程度。如果将光考虑为波，波段越相近则相干性越高。例如，水面上不同的波相互碰撞时，可能相互增强或相互抵消，与这一现象相同，越随机的波干扰程度越弱。激光的位相、波长、方向一致，可维持较强的波，从而实现长距离传送。相干性较高的光，具有可长距离传送且不会扩散的特性，具备可通过镜头聚集成小光斑的优点，可将产生的光传送至别处，用作高密度光。

4高能量密度

激光具有优异的单色性、指向性、相干性，可聚集成非常小的光斑，形成高能量密度的光。可缩小至自然光达不到的绕射极限附近。（绕射极限：物理上无法将光聚焦成小于光波长的极限）通过将激光缩到更小，可将光强度（功率密度）提高至可用于切断金属的程度。

激光器的构造

工业用激光器大致分为4 种。使用的激光媒质或构造、振荡波长、 激发源等不同。激光媒质是一种包含可将激发光的能量转换为激 光的原子的物质，激光的种类正是根据媒质进行分类。

固体激光：一般为YAG 激光和YVO4 激光，激光媒质采用YAG、YVO4 结晶。

气体激光：广泛使用采CO2 气体为媒质的CO2 激光。

半导体激光：以具有活性层（发光层）构造的半导体为媒质的激光。

光纤激光：进入21 世纪后广泛普及的一种激光，如字面所述，以光纤为媒质。

1、半导体激光

重叠材质不同的半导体结晶以构成活性层（发光层），从而产生光。让光在构成两端的一对镜面间往返从而放大，最终产生激光。

2、气体激光（CO2 激光）

CO2 激光是以CO2 气体为媒质的激光。在填充有CO2 气体的管内，配置电 极板，以产生放电。电极板连接外部电源，使其可投入高频率电力作为激发 源。因电极间放电而在气体中产生等离子体，CO2 分子会变换为激发态，该 数量增加后开始受激辐射。此外，为了让光往返而产生振荡，相对设置一对 镜面，则构成了谐振器。光会在全反射镜和输出镜之间往返，放大后输出为 激光。振荡波长一般为10.6 μm。气体成分构成为CO2 在10% 以下、氮N2 在30% 左右、氙Xe 在数%、其余为氦He。各气体有其各自的功能，根据 构造和激光的特性不同而改变成分。

3、固体激光

侧面抽运方式YAG 激光是以YAG 结晶为激光媒质的一种固体激光。YAG 是 指（Yttrium Aluminum Garnet）的结晶，并添加Nd（Neodymium、钕）。 激光器的构成是在与YAG 结晶的轴平行的两侧配置激发用LD。使用一对镜 面构成谐振器，在两者之间配置Q 开关。振荡波长为1064 nm。侧面抽运方 式是一种投入激发光的面积较大，可提高投入能量并容易获得高功率输出的 构成。脉冲宽度较长，为100 ns 至数ms，可产生脉冲能量较大的脉冲，用 于对金属的刻印、切断、雕刻、焊接。

什么是Q 开关

可改变光前进方向的元件。将Q 开关设为开启后，谐振器内的光被弯曲，流出谐振器外，振荡停止。Q 开关在开启状态时由于未产生振荡（无受激辐射），因此结晶 内的激发原子会增加，处于放大率较高的状态。在该状态下将Q 开关设为关闭后，光会在揩振器内往返并急剧放大，从而可输出为脉冲。

4、固体激光

侧面抽运方式YVO4 激光是以YVO4 结晶为激光媒质的一种固体激光。 YVO4 是指钒酸钇结晶，与YAG 同样添加有Nd（钕）。采用从YVO4 结晶端面单侧照射激发光的方式，以一对镜面构成揩振器，并在镜面 间配置结晶和Q 开关。振荡波长与Nd:YAG 激光相同，为1064 nm。 放大率较高，可使用较小的结晶，激光器长比YAG 激光短。因此， 光可在更短时间内反复射入结晶，使光强度急剧增加。与YAG 相比， 具有效率更高、峰值更高且脉冲更短的特点。此外，结晶中心部的放 大率较大，产生的光为单模光*，可输出高品质的激光。

5、光纤激光

光纤激光使用光纤为媒质，是长距离通信的中断放大技术发展为高功率输出激光的产物。光纤由中心传输光的核心和以同心圆状包覆核心的金属包层构成。光纤激光以该核心为激光媒质放大光。因此核心中添加有Yb（Ytteribum、镱）。

光纤激光的构成一般是通过激光二级管（Seed LD）产生的称之为种 子光源（Seed Light）的脉冲光，然后通过2 个以上的光纤放大器进 行放大。激发用LD 配备多个单管发射器（发光层为1 个）LD。各 LD 为低功率输出，因此具有热负荷较小的优点，实现了长寿命。此外， 该LD 数量越多，越可实现高功率输出的激光。光纤激光振荡效率较 高，与固体激光和气体激光相比，具有功率消耗较低的特点。

放大用光纤（前置放大器、主要放大器）为3 层构造，包括核心和2 层金属包层。激发光进入内侧的金属包层（内层包覆）和添加有Yb 的核心内，使核心内部的原子变换为激发态。激光被封闭于核心内前 进，再通过激发原子放大，在媒质内越前进，强度越强。与固体激光 或气体激光不同，光朝一个方向前进，不会往返。

五、AGV激光导航传感器

1 SICK激光导航传感器NAV3xx系列

德国SICK公司将NAV3xx系列产品称之为 2D LiDAR 传感器。

什么是 LiDAR？

利用激光进行非接触式距离测量的传感器已成为当今自动化领域不可或缺的一部分。这一发展始于所谓的 TOF 测量技术。TOF (Time of Flight) 即飞行时间，这一说法基本上已被更为准确的术语 LADAR 或最为常用的 LiDAR 所取代。LADAR（Laser Detection and Ranging，激光检测和测距）或 LiDAR（Light Detection and Ranging，光检测和测距）源自通用术语 RADAR，它表示无线电检测和测距（Radio Detection and Ranging）。

2 Pepperl-Fuchs激光导航传感器R2000系列

脉冲测距技术(PRT)

脉冲测距技术的基本原理是，首先通过发射器发出脉冲光，接收器接收被物体返回的此段脉冲光，定时器记录此段脉冲光从发射到接收所经历的时间，最后通过特定公式的换算得到实际的距离测量值。与其他的飞行时间测量技术发射器发出连续恒定的光不同，基于脉冲测距技术开发的测距传感器，发射器每秒可以发出250,000 个脉冲光。相比发出连续恒定的光源，基于脉冲技术开发的测距传感器发射器发出的脉冲光能量值要相比高出1000 倍，可以有效的确保测量的稳定性和可靠性。相比基于三角反射原理的测距传感器，基于脉冲测距技术开发的测距传感器，测量距离不再受光学几何布局的限制，小尺寸即可实现300m 甚至更远的距离测量。

R2000 采用发射器、曲面镜和接收器一体旋转的测量技术，为实现真正的同步测量打下了基础。也就说一体旋转技术将单点测量衍生成了360° 平面内的全区域测量。基于脉冲测距技术的一体旋转测量技术，可用于快至50Hz，每秒250,000 测量值的高速2D 测量。区别于传统的旋转镜的设计，机械震荡误差形成的较宽的测量平面，采用一体旋转测量技术的R2000 能给出一个很窄的测量平面，进一步确保了检测精确性和稳定性。除此之外，无线能量传输和光通讯数据传输技术的引用，也为“ 无接触旋转” 打下了深厚的基础。

六、浅析AGV锂电池主动和被动电池平衡

锂电池的相关知识

“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

动力锂电池分类

锂电池平衡原理

锂离子电池具有能量密度高，功率密度高、寿命长、环保等特点，已经在AGV行业中获得应用。AGV锂离子电池组的容量大、串并联节数多，需要电池管理系统对其进行有效控制与管理。

我们从锂电池平衡的工作过程，通过举例子让大家能初步的理解锂电池主动/被动工作原理。

电池组-由多单元电池通过串联或并联电池阵组成。串联电池单元能够获取较高的电池组电压，而并联电池单元能够获取较高的总电池容量（单位为安培小时额定值或Ahrs）。电池组的容量将指示并行电池数量，将等于并联电池数量的电池容量乘以系统运行所需的电池容量。根据电池类型，AGV倾向于使用多个串联锂离子电池和多个并联电池）。这取决于AGV的重量、预期使用模式和车辆中的各种系统效率。系统的几个方面将决定电池组电压，包括电动机的总体尺寸和类型、电缆尺寸和隔离要求。

多单元电池通过向堆叠顶部的电池的正极端子提供电流来充电。（假设电池包括n个串联电池）。换句话说，电池单元不单独充电。在充电结束时，每个单元格中剩余的电量是不同的；并且当您反复对电池充放电（在没有平衡的情况下）时，这种差异会增加。

如上图中的两个电池，假想为相同的充电容器，那么AGV工作时将从电池消耗能量，这将耗尽这些容器。AGV的充电时是将电荷注入电池，从而填充那些容器。但是并非所有电池单元都彼此相同，它们也会不均匀；因此，较弱的电池将以不同的速率充放电。每个电池的电压电平将分别随着电池的充电和放电而缓慢上升和下降。

为了能够让大家更加生动理解，让我们从一个完整的电池讲起。在电池中的所有能量（可用能量）可为AGV提供动力。为了不使电池过度放电（因为过度放电会降低电池寿命并且可能影响安全性），当首个电池单元达到欠电压阈值（通常取决于BMS保护的安全裕度）时，BMS必须停止放电。为了不对锂离子电池过度充电，当首个电池达到充电过电压阈值时，BMS必须停止充电。然而，滞后的电池尚未完全充电，这样在电池组中会产生不足/不理想的驱动的电量，因为当首个电池单元充满时，BMS必须再次停止充电。

换句话说，在首次充电/放电循环之后，一些能量在电池组中滞留。它永远不能用于为AGV提供动力。随着电池充放电反复进行，滞留的电量增加，从而降低可用电量。此外，可用电量的损失是滞留电量的两倍，因为滞留电量不可用，并且等效电量不能注入到另一个电池单元中。

进行多次的充放电循环之后，可用能量开始接近零。如何避免这个问题呢？平衡！可通过将多余电量耗散到电阻上来实现电池平衡，从而重新获得将电池充满电并达到完全充电的能力。

只要所有电池具有相同容量，在每次充电循环结束时就无需完全平衡——因为电荷不平衡的影响是完全可逆的。通过BMS厂商对策是对电池的无源平衡部分在经历多次充电/放电循环之后才被实现。当平衡系统准备就绪时，可用电量降幅超过25％。然而，在平衡所有电池之后，电池组通过最少的可用能量损失即可完全充满。

根据应用和热学考虑选择平衡电流的量。例如，在24kWh系统（96个电池串联）中，假设电池在其寿命结束时具有小于1％的充电时间差（充电时间的差异随时间增加），则66Ah系统将需要补偿660mAh。凭借200mA的平衡电流，可在3.3小时内平衡该系统，但是需要两倍的时间来平衡100mA电流。

低位堆垛叉式移动机器人

锂电池的被动/主动平衡不应该由AGV厂商来设计的，但是AGV厂商需要了解无论是主动均衡，还是被动均衡，整体的均衡效率都是考量电池的技术评价指标，即均衡的时间效率与均衡的能量效率，两者的效率对于总体能量效率的贡献程度，这应该是BMS产品围绕用户需求设计的重要竞争力指标； 电池的均衡技术区分为主动均衡与被动均衡。所谓被动就是高电压电池放电，主动均衡就是高电压电池将电能转给低压电池或者高电压电池转给整组。详细的均衡实现策略说起来可没那么容易，简单来讲被动就是一节或几节高电压电池放电，主动均衡就是高电压的放电，低电压的充电了；因而，被动均衡是一种有损均衡，主动均衡尚可以算得上无损均衡。主动均衡比较复杂，但是能量利用率高，均衡效果也更好一些。被动均衡比较简单，但是基本上能量是被损耗掉的，均衡效果需要的时间比较长。

以上就是关于AGV智能移动机器人相关的基础知识，AGV即:Automated Guided Vehicle 简称AGV，当前最常见的应用如:AGV智能搬运机器人或AGV小车，主要功用集中在自动物流搬转运，AGV智能搬运机器人是通过特殊地标导航自动将物品运输至指定地点，最常见的引导方式为磁条引导，激光引导，RFID引导等。

来源：机器人知识堂-新松移动机器人产业网