配圖-工博士移動機器人

一、AGV與AMR的區別

近兩年以來，移動機器人行業內對AGV和AMR的爭論變得越來越引人注目。從英文字面來看，AGV（Automated Guided Vehicle）是“自動導引車”，是指基于一定的導航定位技術、不需要人工駕駛的自動運輸車輛；而AMR（Autonomous Mobile Robot）是“自主移動機器人”，即具有自主決策能力的移動機器人。雖然AGV和AMR都有一個字母“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(自動)，我們可以體會到兩者之間細微的不同。

目前不少的移動機器人生產企業出于宣傳的目的都樂于把自己的產品稱作AMR，這當然無可厚非。但是筆者認為，一個產品要真正成為自主式的移動機器人，它至少應當滿足下面兩個條件：第一，移動機器人應能夠在自然環境下運行而不必依賴于人工部置的“人造環境”；第二，移動機器人應當具有自主的決策和規劃能力，而不是簡單地完全聽命于遠程的調度。目前市面上的許多移動機器人都需要依靠地面標識物(如磁帶、色帶、二維碼等)進行導航，這顯然不滿足“自主”導航的要求。而自主規劃能力指的是機器人應能夠在遇到障礙物時進行自主避讓，并能夠聰明地選擇最優路線到達目標地點。

由于AMR具有自主決策和規劃的能力，所以它更適于在復雜的動態環境內作業。特別是在一些服務民生領域、一些人和機器人需要密切協作的領域，未來的應用場景非常多，所以筆者非常看好AMR的應用前景和技術發展。盡管AMR具有上面所說的優勢，我們并不能簡單地把AMR看成是AGV的終結者和替代者。事實上，有一些傳統應用領域確實更適合AGV，只是AMR將成為未來移動機器人增量市場的主力軍。

二、主流AGV導航優缺點

1.激光導航

優點：方便安裝，無需破壞性安裝，精確定位，高速，無維護費用

缺點：變更需要專業人員，造價較貴

2.磁帶導航

優點：方便安裝、方便更改路徑、無需破壞性安裝、精確定位、可靠、造價低

缺點：磁條需維護、磁條費用、不適合復雜路徑

3.視覺輪廓

優點：方便安裝、容易增加或更改路徑、安裝費用低、無需破壞性安裝、維護無成本

缺點：造價較高、同其他導航方式對比精度較差

4.磁釘導航

優點：環境隨意、精確定位、維護無成本

缺點：安裝簡單，單比磁條方式復雜、磁帶安裝更快，更容易更改路徑

5.自然輪廓

優點：可靠性高，技術成熟；建圖直觀，精度高，不存在累計誤差；地圖可用于路徑規劃

缺點：受lidar探測范圍限制；安裝有結構要求；地圖缺乏語義信息

6. 復合導航

優點：二維碼+慣性，激光+磁釘、自然輪廓+磁帶等多種方式，可適應各種復雜場景，定位精度高。

缺點：變更需要專業人員、造價較貴

三、三類AGV外部傳感器

外部傳感器用于機器人對周圍環境、目標物的狀態特征獲取信息，使機器人和環境發生相互作用，從而使機器人對環境有自校正和自適應能力。

1 接近覺傳感器

1.1 接觸式接近覺傳感器

接觸式接近覺傳感器采用最可靠的機械檢測方法，用于檢測接觸與確定位置。機器人通過微型開關和相應機械裝置結合實現接觸檢測。

移動機器人采用高可靠性的接觸式防碰開關

1.2 感應式接近覺傳感器

（1）電渦流式接近覺傳感器

導體在一個不均勻的磁場中運動或處于一個交變磁場中時，其內部就會產生感應電流。這種感應電流稱為電渦流，這一現象稱為電渦流現象。利用這一原理可以制作電渦流傳感器。電渦流式接近覺傳感器通過通有交變電流的線圈向外發射高頻變化的電磁場，處在磁場周圍的被測導電物體就產生了電渦流。由于傳感器的電磁場方向相反，兩個磁場相互疊加削弱了傳感器的電感和阻抗。若用電路把傳感器電感和阻抗的變化轉換成轉換電壓，則能計算出目標物與傳感器之間的距離。該距離與轉換電壓成正比，但存在一定的線性誤差。對于鋼或鋁等材料的目標物線性誤差為±0.5%。

電渦流傳感器外形尺寸小，價格低廉，可靠性高，抗干擾能力強，而且檢測精度也高，能夠檢測到0.02mm的微量位移。但是該傳感器檢測距離短，一般只能測到13mm以內，且只能對固態導體進行檢測，這是其不足之處。

移動機器人采用感應式接近傳感器檢測舉升位置

（2）電容式接近覺傳感器

電容式接近覺傳感器的結構和原理十分簡單，它通過距離變化使電容值發生改變來實現測量。電容式接近覺傳感器能對多種金屬、非金屬及人體進行檢測，使用范圍較廣。與只能檢測鐵磁材料的感應型接近覺傳感器不同，電容式接近覺傳感器能夠檢測所有固體和液體材料。

（3）光電式接近覺傳感器

光電式接近覺傳感器由用作發射器的光源和接收器兩部分組成，光源可以在內部，也可以在外部，接收器能夠感知光線的有無。光電式接近覺傳感器由發光二極管和光敏晶體管組成，采用最簡單的光強法檢測。發光光二極管發出的光經過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強和傳感器與目標的距離有關。

輸出信號的大小反映了從目標物體反射回接收元件的光強。這個信號的大小不僅與檢測距離有關，同時也受被測物體表面光學特性和表面傾斜等因素的影響。將紅外信號調制成某一特定頻率，可大大提高信噪比。

移動機器人采用光電式接近傳感器檢測貨物位置

光電式接近覺傳感器具有測量速度快、抗干擾能力強、測量點小、適用范圍廣等優點，是目前機器人中應用最多的接近覺傳感器。

移動機器人采用光電式接近傳感器檢測貨物位置

2 力覺傳感器

力覺傳感器根據力的檢測方式不同，可分為應變片式、利用壓電元件式及差動變壓器、電容位移計式。其中，應變片式壓力傳感器應用最普遍，商品化的力覺傳感器大多是這一種。

壓電元件很早就用在刀具的受力測量中，但它不能測量靜態負載。電阻應變片式壓力傳感器是利用金屬拉伸時電阻變大的現象，將它粘貼在加力方向上，可根據輸出電壓檢測出電阻的變換。通過電阻應變片可以將試件的應變轉換成應變片的電阻變化，通常這種電阻變化很小。測量電路有多種，惠斯登電橋電路是最常用的電路。

惠斯登電橋電路放大應變片的微弱變化

在不加力時，點橋上的電阻都是R，當應變片受力時，電阻應變片產生一個很小的電阻變化，則輸出電壓為：

移動機器人采用力覺傳感器檢測貨物重量

3 視覺傳感器

(1)單目攝像頭

單目攝像頭即具有一個鏡頭的攝像頭，它無法直接獲得目標的三維坐標，只能提取目標物體的特證，得到目標物體在二維平面內的相對位置。

移動機器人采用單目攝像頭獲取位置信息

(2)雙目攝像頭

雙目攝像頭具有兩個鏡頭，可理解為兩個單目攝像頭的結合，主要應用于提取出目標的三維坐標，這些信息可以直接調整機器人在運動中的運動參數。但是傳統的三維提取首先需要知道攝像機的準確焦距信息，針對該攝像頭的變參數進行圖像校正；然后對左、右攝像機分別采集到的圖像中的目標特征點進行匹配；最后利用其相互關系推算出目標點的深度信息。

移動機器人采用雙目攝像頭檢測物體深度信息

(3)云臺攝像頭

云臺是安裝、固定攝像機的支撐設備。電動云臺適用于對大范圍進行掃描監視，它可以擴大攝像機的監視范圍。該云臺內裝兩個電動機，這兩個電動機一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動。

每種傳感器都有各自的優缺點，在移動機器人的設計過程中就是要確定需要哪種傳感器或具體應用哪種傳感器最合適。

四、AGV技術-激光導航的激光是什么？

激光的相關知識

激光自發明以來以驚人的速度不斷發展，目前以通信行業為首，被廣泛應用于建筑、制造業、醫療、軍事等各種領域。然而，激光包括很多種類，并且具備各種不同的“特性”。我們需要根據目的區分使用這些激光，因此，掌握這些激光“特性”就顯得至關重要。

在AGV行業中，有一種導航技術“激光導航”。激光導航是采用二維激光導航傳感器獲取環境中的測量數據，然后將測量數據進行運算進而得到AGV的坐標信息。

因此在從事激光導航AGV行業的工程師，激光是什么？應該對激光相關基礎知識有所了解與掌握。

什么是激光？

LASER 是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（光受激輻射放大）的各首字母組 成的縮寫詞。Laser 為人工光源，具有與自然光不同的特性，因此開發成實用技術被廣泛應用于各種領域，例如激光導航、激光測距、激光切割等等。

激光的用途

激光可直線傳播到很遠，并且可聚集在較小范圍等，人們活用這些特性，廣泛應用激光。激光市場不斷擴大，正在幫助制造業提高生產效率和品質。

關于激光的特性

1單色性

自然光包含從紫外線到紅外線等多種波長的光。相對而言，激光為單一波長的光，其特性稱之為單色性。單色性的優點在于可提高光學設計的靈活性。光的折射率因波長不同而產生變化，自然光穿過鏡頭時，會因內含不同種類的波長，而產生擴散現象。這種現象稱為色差。另一方面，激光為單一波長的光，只會朝相同方向折射。例如，攝像頭的鏡頭需要具備可校正因顏色導致的失真的設計，但激光僅需考慮該波長即可，因此光束可長距離傳送，實現小光斑聚光的精密設計。

2指向性

指向性是指聲音或光線在空間內前進時不易擴散的程度，指向性較高則表示擴散小。自然光包含朝各種方向擴散的光，為提高指向性，需要靠復雜的光學系統去除前進方向以外的光。相對而言，激光為指向性較高的光，讓激光不擴散而直線前進，在光學設計上較為容易，可進行長距離傳送等。

3相干性

相干性表示光容易相互干擾的程度。如果將光考慮為波，波段越相近則相干性越高。例如，水面上不同的波相互碰撞時，可能相互增強或相互抵消，與這一現象相同，越隨機的波干擾程度越弱。激光的位相、波長、方向一致，可維持較強的波，從而實現長距離傳送。相干性較高的光，具有可長距離傳送且不會擴散的特性，具備可通過鏡頭聚集成小光斑的優點，可將產生的光傳送至別處，用作高密度光。

4高能量密度

激光具有優異的單色性、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。可縮小至自然光達不到的繞射極限附近。（繞射極限：物理上無法將光聚焦成小于光波長的極限）通過將激光縮到更小，可將光強度（功率密度）提高至可用于切斷金屬的程度。

激光器的構造

工業用激光器大致分為4 種。使用的激光媒質或構造、振蕩波長、 激發源等不同。激光媒質是一種包含可將激發光的能量轉換為激 光的原子的物質，激光的種類正是根據媒質進行分類。

固體激光：一般為YAG 激光和YVO4 激光，激光媒質采用YAG、YVO4 結晶。

氣體激光：廣泛使用采CO2 氣體為媒質的CO2 激光。

半導體激光：以具有活性層（發光層）構造的半導體為媒質的激光。

光纖激光：進入21 世紀后廣泛普及的一種激光，如字面所述，以光纖為媒質。

1、半導體激光

重疊材質不同的半導體結晶以構成活性層（發光層），從而產生光。讓光在構成兩端的一對鏡面間往返從而放大，最終產生激光。

2、氣體激光（CO2 激光）

CO2 激光是以CO2 氣體為媒質的激光。在填充有CO2 氣體的管內，配置電 極板，以產生放電。電極板連接外部電源，使其可投入高頻率電力作為激發 源。因電極間放電而在氣體中產生等離子體，CO2 分子會變換為激發態，該 數量增加后開始受激輻射。此外，為了讓光往返而產生振蕩，相對設置一對 鏡面，則構成了諧振器。光會在全反射鏡和輸出鏡之間往返，放大后輸出為 激光。振蕩波長一般為10.6 μm。氣體成分構成為CO2 在10% 以下、氮N2 在30% 左右、氙Xe 在數%、其余為氦He。各氣體有其各自的功能，根據 構造和激光的特性不同而改變成分。

3、固體激光

側面抽運方式YAG 激光是以YAG 結晶為激光媒質的一種固體激光。YAG 是 指（Yttrium Aluminum Garnet）的結晶，并添加Nd（Neodymium、釹）。 激光器的構成是在與YAG 結晶的軸平行的兩側配置激發用LD。使用一對鏡 面構成諧振器，在兩者之間配置Q 開關。振蕩波長為1064 nm。側面抽運方 式是一種投入激發光的面積較大，可提高投入能量并容易獲得高功率輸出的 構成。脈沖寬度較長，為100 ns 至數ms，可產生脈沖能量較大的脈沖，用 于對金屬的刻印、切斷、雕刻、焊接。

什么是Q 開關

可改變光前進方向的元件。將Q 開關設為開啟后，諧振器內的光被彎曲，流出諧振器外，振蕩停止。Q 開關在開啟狀態時由于未產生振蕩（無受激輻射），因此結晶 內的激發原子會增加，處于放大率較高的狀態。在該狀態下將Q 開關設為關閉后，光會在揩振器內往返并急劇放大，從而可輸出為脈沖。

4、固體激光

側面抽運方式YVO4 激光是以YVO4 結晶為激光媒質的一種固體激光。 YVO4 是指釩酸釔結晶，與YAG 同樣添加有Nd（釹）。采用從YVO4 結晶端面單側照射激發光的方式，以一對鏡面構成揩振器，并在鏡面 間配置結晶和Q 開關。振蕩波長與Nd:YAG 激光相同，為1064 nm。 放大率較高，可使用較小的結晶，激光器長比YAG 激光短。因此， 光可在更短時間內反復射入結晶，使光強度急劇增加。與YAG 相比， 具有效率更高、峰值更高且脈沖更短的特點。此外，結晶中心部的放 大率較大，產生的光為單模光*，可輸出高品質的激光。

5、光纖激光

光纖激光使用光纖為媒質，是長距離通信的中斷放大技術發展為高功率輸出激光的產物。光纖由中心傳輸光的核心和以同心圓狀包覆核心的金屬包層構成。光纖激光以該核心為激光媒質放大光。因此核心中添加有Yb（Ytteribum、鐿）。

光纖激光的構成一般是通過激光二級管（Seed LD）產生的稱之為種 子光源（Seed Light）的脈沖光，然后通過2 個以上的光纖放大器進 行放大。激發用LD 配備多個單管發射器（發光層為1 個）LD。各 LD 為低功率輸出，因此具有熱負荷較小的優點，實現了長壽命。此外， 該LD 數量越多，越可實現高功率輸出的激光。光纖激光振蕩效率較 高，與固體激光和氣體激光相比，具有功率消耗較低的特點。

放大用光纖（前置放大器、主要放大器）為3 層構造，包括核心和2 層金屬包層。激發光進入內側的金屬包層（內層包覆）和添加有Yb 的核心內，使核心內部的原子變換為激發態。激光被封閉于核心內前 進，再通過激發原子放大，在媒質內越前進，強度越強。與固體激光 或氣體激光不同，光朝一個方向前進，不會往返。

五、AGV激光導航傳感器

1 SICK激光導航傳感器NAV3xx系列

德國SICK公司將NAV3xx系列產品稱之為 2D LiDAR 傳感器。

什么是 LiDAR？

利用激光進行非接觸式距離測量的傳感器已成為當今自動化領域不可或缺的一部分。這一發展始于所謂的 TOF 測量技術。TOF (Time of Flight) 即飛行時間，這一說法基本上已被更為準確的術語 LADAR 或最為常用的 LiDAR 所取代。LADAR（Laser Detection and Ranging，激光檢測和測距）或 LiDAR（Light Detection and Ranging，光檢測和測距）源自通用術語 RADAR，它表示無線電檢測和測距（Radio Detection and Ranging）。

2 Pepperl-Fuchs激光導航傳感器R2000系列

脈沖測距技術(PRT)

脈沖測距技術的基本原理是，首先通過發射器發出脈沖光，接收器接收被物體返回的此段脈沖光，定時器記錄此段脈沖光從發射到接收所經歷的時間，最后通過特定公式的換算得到實際的距離測量值。與其他的飛行時間測量技術發射器發出連續恒定的光不同，基于脈沖測距技術開發的測距傳感器，發射器每秒可以發出250,000 個脈沖光。相比發出連續恒定的光源，基于脈沖技術開發的測距傳感器發射器發出的脈沖光能量值要相比高出1000 倍，可以有效的確保測量的穩定性和可靠性。相比基于三角反射原理的測距傳感器，基于脈沖測距技術開發的測距傳感器，測量距離不再受光學幾何布局的限制，小尺寸即可實現300m 甚至更遠的距離測量。

R2000 采用發射器、曲面鏡和接收器一體旋轉的測量技術，為實現真正的同步測量打下了基礎。也就說一體旋轉技術將單點測量衍生成了360° 平面內的全區域測量。基于脈沖測距技術的一體旋轉測量技術，可用于快至50Hz，每秒250,000 測量值的高速2D 測量。區別于傳統的旋轉鏡的設計，機械震蕩誤差形成的較寬的測量平面，采用一體旋轉測量技術的R2000 能給出一個很窄的測量平面，進一步確保了檢測精確性和穩定性。除此之外，無線能量傳輸和光通訊數據傳輸技術的引用，也為“ 無接觸旋轉” 打下了深厚的基礎。

六、淺析AGV鋰電池主動和被動電池平衡

鋰電池的相關知識

“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀70年代時，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。隨著科學技術的發展，現在鋰電池已經成為了主流。

動力鋰電池分類

鋰電池平衡原理

鋰離子電池具有能量密度高，功率密度高、壽命長、環保等特點，已經在AGV行業中獲得應用。AGV鋰離子電池組的容量大、串并聯節數多，需要電池管理系統對其進行有效控制與管理。

我們從鋰電池平衡的工作過程，通過舉例子讓大家能初步的理解鋰電池主動/被動工作原理。

電池組-由多單元電池通過串聯或并聯電池陣組成。串聯電池單元能夠獲取較高的電池組電壓，而并聯電池單元能夠獲取較高的總電池容量（單位為安培小時額定值或Ahrs）。電池組的容量將指示并行電池數量，將等于并聯電池數量的電池容量乘以系統運行所需的電池容量。根據電池類型，AGV傾向于使用多個串聯鋰離子電池和多個并聯電池）。這取決于AGV的重量、預期使用模式和車輛中的各種系統效率。系統的幾個方面將決定電池組電壓，包括電動機的總體尺寸和類型、電纜尺寸和隔離要求。

多單元電池通過向堆疊頂部的電池的正極端子提供電流來充電。（假設電池包括n個串聯電池）。換句話說，電池單元不單獨充電。在充電結束時，每個單元格中剩余的電量是不同的；并且當您反復對電池充放電（在沒有平衡的情況下）時，這種差異會增加。

如上圖中的兩個電池，假想為相同的充電容器，那么AGV工作時將從電池消耗能量，這將耗盡這些容器。AGV的充電時是將電荷注入電池，從而填充那些容器。但是并非所有電池單元都彼此相同，它們也會不均勻；因此，較弱的電池將以不同的速率充放電。每個電池的電壓電平將分別隨著電池的充電和放電而緩慢上升和下降。

為了能夠讓大家更加生動理解，讓我們從一個完整的電池講起。在電池中的所有能量（可用能量）可為AGV提供動力。為了不使電池過度放電（因為過度放電會降低電池壽命并且可能影響安全性），當首個電池單元達到欠電壓閾值（通常取決于BMS保護的安全裕度）時，BMS必須停止放電。為了不對鋰離子電池過度充電，當首個電池達到充電過電壓閾值時，BMS必須停止充電。然而，滯后的電池尚未完全充電，這樣在電池組中會產生不足/不理想的驅動的電量，因為當首個電池單元充滿時，BMS必須再次停止充電。

換句話說，在首次充電/放電循環之后，一些能量在電池組中滯留。它永遠不能用于為AGV提供動力。隨著電池充放電反復進行，滯留的電量增加，從而降低可用電量。此外，可用電量的損失是滯留電量的兩倍，因為滯留電量不可用，并且等效電量不能注入到另一個電池單元中。

進行多次的充放電循環之后，可用能量開始接近零。如何避免這個問題呢？平衡！可通過將多余電量耗散到電阻上來實現電池平衡，從而重新獲得將電池充滿電并達到完全充電的能力。

只要所有電池具有相同容量，在每次充電循環結束時就無需完全平衡——因為電荷不平衡的影響是完全可逆的。通過BMS廠商對策是對電池的無源平衡部分在經歷多次充電/放電循環之后才被實現。當平衡系統準備就緒時，可用電量降幅超過25％。然而，在平衡所有電池之后，電池組通過最少的可用能量損失即可完全充滿。

根據應用和熱學考慮選擇平衡電流的量。例如，在24kWh系統（96個電池串聯）中，假設電池在其壽命結束時具有小于1％的充電時間差（充電時間的差異隨時間增加），則66Ah系統將需要補償660mAh。憑借200mA的平衡電流，可在3.3小時內平衡該系統，但是需要兩倍的時間來平衡100mA電流。

低位堆垛叉式移動機器人

鋰電池的被動/主動平衡不應該由AGV廠商來設計的，但是AGV廠商需要了解無論是主動均衡，還是被動均衡，整體的均衡效率都是考量電池的技術評價指標，即均衡的時間效率與均衡的能量效率，兩者的效率對于總體能量效率的貢獻程度，這應該是BMS產品圍繞用戶需求設計的重要競爭力指標； 電池的均衡技術區分為主動均衡與被動均衡。所謂被動就是高電壓電池放電，主動均衡就是高電壓電池將電能轉給低壓電池或者高電壓電池轉給整組。詳細的均衡實現策略說起來可沒那么容易，簡單來講被動就是一節或幾節高電壓電池放電，主動均衡就是高電壓的放電，低電壓的充電了；因而，被動均衡是一種有損均衡，主動均衡尚可以算得上無損均衡。主動均衡比較復雜，但是能量利用率高，均衡效果也更好一些。被動均衡比較簡單，但是基本上能量是被損耗掉的，均衡效果需要的時間比較長。

以上就是關于AGV智能移動機器人相關的基礎知識，AGV即:Automated Guided Vehicle 簡稱AGV，當前最常見的應用如:AGV智能搬運機器人或AGV小車，主要功用集中在自動物流搬轉運，AGV智能搬運機器人是通過特殊地標導航自動將物品運輸至指定地點，最常見的引導方式為磁條引導，激光引導，RFID引導等。

來源：機器人知識堂-新松移動機器人產業網