定位導(dǎo)航基礎(chǔ)課堂丨倉儲物流機器人定位技術(shù)與應(yīng)用

2025China.cn 2021年03月03日

　　隨著經(jīng)濟的不斷增長，中國物流行業(yè)正以前所未有的速度快速發(fā)展與演進，在其發(fā)展的背后離不開商品的倉儲和流動。與此同時，巨大的需求促使我國的物流行業(yè)正在努力地從勞動型向技術(shù)型轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化、智能化升級，隨之而來的就是各種各樣先進技術(shù)裝備的運用和普及。

　　如今，具有搬運、碼垛、分揀等功能的智能機器人的運用，已經(jīng)成為物流行業(yè)中必不可少的一項技術(shù)，智能倉儲物流機器人在其中扮演著極其重要的角色。倉儲物流機器人是面向商品倉儲、配送環(huán)節(jié)所開發(fā)的智能機器人，可廣泛運用于商品揀選、搬運、分揀等環(huán)節(jié)，也在新一代智慧工廠中扮演著重要的角色。

　　01 AMR的定位技術(shù)

　　從分類上來說，倉儲物流機器人隸屬于自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot, AMR)，與傳統(tǒng)的AGV相比，AMR本身具備較強的計算能力，它可以通過傳感器感知周圍環(huán)境并做出相應(yīng)的決策，更靈活、更智能且布置起來也更方便。

　　在圍繞著AMR的諸多技術(shù)中，始終要回答“我在哪里?”“我要去哪兒?”和“我怎樣到達那里?”的問題，這背后主要指移動機器人的感知、定位、規(guī)劃和控制問題，其中最核心的就是定位問題。那么什么是機器人的定位呢?機器人在工作過程中確定自身相對于環(huán)境的位置及姿態(tài)就叫定位。

　　早期影響定位技術(shù)的，主要是傳感器本身能力。上世紀中后期，磁導(dǎo)航是一個比較常用的定位導(dǎo)航方案。磁導(dǎo)航機器人也被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。磁導(dǎo)航技術(shù)既是定位技術(shù)也是導(dǎo)航技術(shù)，機器人利用磁傳感器檢測地面磁條，并沿著磁條移動。

　　后續(xù)激光雷達的發(fā)展推動了基于反光板的導(dǎo)航方案。1996年，科爾摩根公司將反光板定位導(dǎo)航技術(shù)NDC方案推廣到中國，逐漸占領(lǐng)了中國主流AGV和無人叉車市場。反光板導(dǎo)航的方式，即在環(huán)境中布置由反光材料制成的反光板，通過機器人的雷達掃描，依據(jù)三角定位原理解算機器人位姿。

　　Kiva于2010年提出了二維碼導(dǎo)航，其在2012年被亞馬遜收購。隨后機器人被廣泛運用于亞馬遜內(nèi)部倉庫，大大提升了揀選效率。二維碼導(dǎo)航的方案是在地面鋪設(shè)二維碼陣列，通過機器人下部的相機掃描二維碼實現(xiàn)自身位姿的估計。與磁導(dǎo)航方案不同的是，二維碼只是一個定位方案，在機器人導(dǎo)航調(diào)度上靈活性更強。

　　考慮到柔性導(dǎo)航的需求，大家開始探討無標記的定位導(dǎo)航方案。激光SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)作為目前比較成熟SLAM方案，早在幾十年前就在學(xué)術(shù)圈被廣泛研究，直到最近10年才在機器人領(lǐng)域逐漸使用。極智嘉(Geek+)也在2016年開始進行激光SLAM算法研究和產(chǎn)品落地。

　　近幾年各項定位技術(shù)逐漸成熟，其優(yōu)勢和不足也充分展現(xiàn)。另一方面，在應(yīng)用層面的廣泛需求促使AMR從一個技術(shù)導(dǎo)向逐漸向應(yīng)用導(dǎo)向發(fā)展?；旌隙ㄎ粚?dǎo)航方案也逐漸成為AMR的標準方案，在效率和柔性，技術(shù)難度和實施難度上達到一個均衡。

　　02 定位技術(shù)在倉配機器人中的應(yīng)用

　　電商倉儲 —— 二維碼導(dǎo)航

　　面對高速增長的電商市場，傳統(tǒng)物流倉儲方式遠不能滿足行業(yè)需求。針對此場景，基于視覺二維碼的導(dǎo)航方案是具有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢的，主要有以下三方面原因：

　　首先是精度高，基于視覺二維碼的方案在全局的定位精度可達到±1cm，有著較高的準確性，對聲光無干擾，穩(wěn)定性較高。

　　其次是小巧靈活，眾所周知，對于電商倉儲來說，存儲空間是極其寶貴。視覺二維碼的定位導(dǎo)航方案可被高效利用，即機器人和機器人之間、貨架和貨架之間可做到10cm的間距，對整個倉儲來說空間利用率非常高。

　　最后是二維碼導(dǎo)航鋪設(shè)實施效率較高，運行過程中機器人可靈活調(diào)度，整體效率提升明顯。機器人調(diào)度系統(tǒng)與倉儲管理系統(tǒng)(WMS)相結(jié)合后，可大大降低庫存出錯概率。

　　雙十一作為國內(nèi)網(wǎng)購狂歡節(jié)日，需要依托強大的倉儲物流體系。在2020年雙十一期間，極智嘉在自營的智能倉內(nèi)部署了近5500臺機器人，通過機器人倉運營發(fā)貨單量總計1319萬單，同比增長超60%。整體來說，發(fā)貨效率是人工3PL倉的兩倍，準確率也高達99.99%。

　　智慧工廠 —— 多種導(dǎo)航方式并存

　　倉儲只是整個體系中一個環(huán)節(jié)，對于整個智慧工廠，環(huán)節(jié)則更加復(fù)雜，包含出入庫、上下料、測試和配送等。針對此場景，無法只用二維碼將整個區(qū)域覆蓋。另一方面，隨著實際運用范圍的擴大，AMR所覆蓋的區(qū)域也逐漸從幾千平的單一區(qū)域，轉(zhuǎn)化到幾萬平甚至幾十萬平的復(fù)雜區(qū)域，各區(qū)域之間的環(huán)境和功能需求都有所不同。

　　面對多環(huán)節(jié)、大面積的智慧工廠應(yīng)用，極智嘉提供了覆蓋全場景的全品類機器人產(chǎn)品線，包含智能叉車機器人、智能搬運機器人、智能分揀機器人、貨架揀選機器人，貨箱揀選機器人、智能協(xié)作機器人等多種類型機器人，來完成多種機器人協(xié)作的完整方案。

　　在智慧工廠諸多技術(shù)領(lǐng)域中,定位導(dǎo)航技術(shù)仍然非常關(guān)鍵的，面對多環(huán)節(jié)、大面積的場景如何能夠較好地解決定位導(dǎo)航問題呢?我們可以從從內(nèi)外兩方面來提高機器人的定位導(dǎo)航能力：

　　內(nèi)：提高SLAM環(huán)境適應(yīng)能力

　　通用的激光SLAM技術(shù)無法應(yīng)對高動態(tài)變化下的定位精度和魯棒性。極智嘉AMR通過局部的高精度定位和全局地圖更新來適應(yīng)環(huán)境變化，并不斷更新地圖，從而提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力。通過實際場景的不斷驗證，極智嘉AMR可在環(huán)境變化50%以下的場景完成7×24小時不間斷運行，精度保持±1cm。

　　外：混合導(dǎo)航

　　激光SLAM技術(shù)始終存在瓶頸，對于復(fù)雜環(huán)境，我們需要使用多種導(dǎo)航技術(shù)的融合來達到穩(wěn)定運行的狀態(tài)。針對智慧工廠中的線邊環(huán)境，基本上環(huán)境的變動是比較小的，或者是變動的頻率比較小，使用激光SLAM導(dǎo)航結(jié)合地圖更新就可以完成該區(qū)域的定位導(dǎo)航。

　　對于環(huán)境變化較大(超過50%)的區(qū)域，激光SLAM無法保證100%的穩(wěn)定性，此時少量輔助標記的引入可大大提高此環(huán)境下的魯棒性。對于貨架倉儲區(qū)域，由于所有的貨架是機器人是自己搬進來的，如果要用貨架來進行定位，則定位結(jié)果會逐漸產(chǎn)生偏移。因此需要引入大量輔助定位標記，二維碼導(dǎo)航是一個切實可行的方案。