凯莎AGV无人驾驶物流搬运车

       AGV按照导航方式不同分为激光导航AGV，磁条导航AGV，和惯性磁导AGV,下面就三种不同的AGV做简单说明如下：

1、凯莎TCC型激光导航AVC牵引搬运车
激光导航不需要在地面上铺设磁条，地面上不在有实体的路线，通过在电脑上规划出电子地图，然后在墙壁上安装反光板即可。通过反光板指引AGV的运行路线。        激光导航对强光直射要求较高（＜10000 Lux），应避免强光直射在激光头上，否则会导致激光头感应异常。        激光测量系统，能够在激光束的帮助下在一个平面内扫描周围轮廓，在一个二维极坐标下测量周围环境。当一束测量光束照射到物体，它的位置会以距离，方向和角度来确定，用从光发出到经反光板反射到激光传感器的传播时间可以计算出物体的距离。

       一、凯莎AGV无人驾驶车辆在设计和应用方案上的优势
       凯莎工业设备制造集团长期从事AGV车辆的研究和制造，总结和测试了各类型的AGV导航和控制方式，凭借多年的研发经验，本着精益求精的设计理念，设计出来可以在室内室外不同环境下使用的新AGV系列产品，首先在导航的方式上，凯莎AGV应用了可以在室内室外使用的3D-SLAM激光定位导航技术，本系统采用3D激光雷达及3D slam定位导航算法为技术方案，具体优势如下：
       1）方案部署的灵活性和便捷性
       凯莎采用激光场景地图构建匹配定位既自然导航，无需在环境中部署辅助设施，无人仓库场景的增加和扩建只需后台操作增量建图和配置即可。
       2）方案场景的广范适应性
       凯莎采用3D slam建图和多传感器融合匹配定位，可在室内外各种复杂场景下实现高精度的定位导航。同步采用AI识别加激光检测定位栈板及目标物，更加适应AGV各种栈板无人化仓库搬运场景。
       3）方案的性能稳定性
       采用3D激光slam融合定位算法，可在相对复杂的环境下保持较高的定位精度和导航精度。
       4）方案场景运行高效性
       构建3d地图与场景实物位置管理相结合智能调度管理系统，结合仓储管理人机交互点位叫料管理系统app使得无人化仓储更加柔性
       二、凯莎在无人驾驶叉车AGV应用系统功能的研究：
       2.1、AGV需要做什么？这是AGV的调度特性，无人驾驶车辆AGV应用系统需完成各个厂区车间目标任务自动搬运场景功能，主要是点到点对货物的自动叉卸货及车间之间室内外场景的自动导航搬运，完成调度系统按照生产需要下达的搬运任务。
       2.2、AGV如何去做？ 这就是AGV的导航特性，根据现场同步多任务的需求，需要部署多台AGV协同调度工作，同时对接货位管理系统及人机交互智能叫料系统接口实现整个仓库货物的无人化搬运管理，AGV车辆在导航功能的引导下，按照设定的路径完成货物的搬运。
       三、凯莎无人驾驶车辆AGV应用系统功能
       针对上述客户仓库无人化应用需求分析，现有成熟的无人驾驶叉车AGV的应用系统解决方案主要包括无人叉车本体系统和智能多机调度管理系统，具体的系统架构和软硬件连接模块如下：
       3.1无人叉车应用系统架构

图3、无人叉车应用系统构成图

       如图3所示，无人叉车应用系统的两大构成部分：智能多机调度管理系统和无人叉车系统。
       其中，智能多机调度管理系统部署在后台服务器端，负责从人机交互智能叫料app管理系统获取任务，并智能分派给空闲的无人叉车。同时，实时监控各个叉车的运行状态，根据任务完成情况上传到app终端。
       无人叉车系统是场地中自主化任务独立执行设备，通过4G/5G网络连接获取后台智能多机调度管理系统的调度指令，并根据具体下发的货物搬运任务，根据自身位置和目的位置进行自主定位和导航，并根据货物的信息自动完成叉卸货或叉装货操作，并将自身状态信息、任务执行信息等通过无线通信方式回传到调度系统及叫料管理系统app，完成仓库的无人化搬运和智能管理。
       3．2、凯莎无人驾驶车辆AGV控制系统
       无人驾驶车辆系统是整个应用系统中的执行单元，每台AGV通过智能多机调度管理系统下发的导航任务，能够自动完成目标货物的自主导航搬运、自动叉卸货以及货物智能识别任务功能。每台AGV本体基本包括自主定位导航模块、自动叉卸货模块、底层传感器集成与运动控制模块、多重防护报警模块、电量监控与自主回充模块等功能。

图4、无人叉车系统集成算法功能模块图

       3.3、自主定位导航模块：
       自主定位导航是AGV车辆系统中的核心算法模块，主要包括以多线激光雷达3D slam算法进行仓库场景3D地图构建，同时结合slam匹配定位及叉车里程计、imu实现多传感器融合高精度定位，并结合实地货物目标位置生成全局最优路径规划和航迹跟踪控制。
       （1）3D场景地图构建：利用3D激光雷达和SLAM算法完成仓库工作场景地图构建。

图5、3D SLAM仓库环境地图构建

       3d地图构建的具体功能性能如下：
       1）、三维建图面积达到百万平方米
       2）、地图构建栅格分辨率5cm
       3）、移动障碍占地图面积不大于30%可以实现建图功能
       4）、可以对地图进行二次编辑
       5）、基于全局地图信息匹配算法的强制闭环功能
       （2）多传感器融合匹配定位：结合里程计、IMU数据，利用激光雷达实时扫描点云数据与场景地图进行高精度匹配定位。

图6、多传感器融合匹配定位原理

图7、3d slam激光雷达点云实时匹配定位场景

       多传感器融合高精度匹配定位性能如下：
       1）、融合后的输出定位频率50HZ，满足快速运动场景下定位要求。
       2）、室内场景下，平均导航过程定位精度达到2cm以内，任务点重复定位精度在1cm以内；
       3）、室外大场景下，平均导航定位精度达到5cm以内，任务点重复定位精度在2cm以内；
       4）、在环境变化不大于30%的条件下，保持稳定定位精度。
       注：以上是软件算法层面经验定位精度数据，无人叉车实际达到定位精度因驱动器性能、底盘执行情况有所差异；
       (3)、路径规划与航迹控制：路径规划导航是无人驾驶车辆核心功能，根据智能多机调度系统的任务下发，利用混合A*算法给出两个路径点间最优运动的路线，同时根据避障信息的局部规划功能做出具体的行为规划和精准的航迹控制。

图8、路径规划和航迹跟踪控制运行场景图

       3.4、凯莎AGV车辆传感器集成和运动控制模块：
       凯莎无人驾驶车辆AGV系统中的底层硬件及运动机构，主要包括对AGV本体及安装的各传感器信息的集成、车辆运动模型、驱动电机控制以及执行路径规划下发的线速度和角速度信息。控制板以STM32为主控，实现车辆本体的驱动和方向控制的单舵轮驱动模型，并适配多家驱动器厂家。
       3.5、自动叉卸货模块：
       凯莎无人驾驶车辆AGV系统中的应用功能，主要根据智能感知与识别定位模块的输出的栈板定位信息和栈板所处的高度信息，同步利用叉车精确定位和叉货升降传感器自动检测数据，控制AGV本体机构精确运动，实现对货物的自动叉卸。
       3.6、场景栈板识别及精确定位模块：
       凯莎AGV以深度相机或TOF雷达融合搭建智能识别定位模块，通过神经网络深度学习方式识别常用栈板模型孔位并通过激光雷达精确测量计算叉孔定位坐标信息(x,y,z,θ)。

图9、场景栈板AI识别和精确定位

       3.7、多重安全避障防护及自动报警模块；
       凯莎无人驾驶AGV车辆的安全防护至关重要，系统加装了多重安全避障防护及报警机制，以保证其在工作环境中的安全运行：
       1）预警防撞激光雷达，建立AGV实时运行的周身3级区域防护；
       2）红外、缓冲防撞条特殊部位防护；
       3）防跌落设计；
       4）当AGV车辆状态异常，声光报警器等机构；
       5）日志状态监控异常，远程介入操作；

图10、W系列非接触防撞激光雷达3级IO输出区域设置

       3.8、电池电量监测及自动回充功能模块；
       底层控制板上的传感器集成AD采集实时监测无人驾驶车辆的电池电量情况，根据所设阈值，当监测电池电量低于该阈值时，AGV控制系统自动上报自身电量低状态，调度层下发指令后，该叉车自主导航到充电区完成对位充电功能。
       3.9、凯莎无人驾驶车辆AGV系统各模块数据流构成：

图11、凯莎无人叉车系统各模块数据流设计架构

       四、智能多机调度管理系统
       智能多机调度管理系统是整个仓库无人驾驶车辆应用系统的管理中心，根据人机交互智能叫料app管理系统发下的任务以及场景中无人车辆的运行状态和场景地图，实时制定场景中车辆的工作任务和导航路径。依据效率时间优先原则，合理分配每台AGV工作任务和导航路径。

图12、凯莎智能人机交互点位叫料管理系统软件v1.0

图12、凯莎智能多机调度管理系统软件v1.0界面

       如图13所示，整个智能多机调度管理系统包括4个软件部分模块

图13、智能多机调度管理系统4大软件模块

       （1）人机交互点位叫料智能管理软件数据交互接口软件模块；
       人机交互智能叫料仓库管理系统是整个自动化系统的顶层任务需求方，根据不同的工厂货物自动化搬运需求，制定与叉车调度系统之间的通信接口协议，通过该接口向上接收点位叫料管理系统下发的工作任务并给予反馈；
       （2）智能调度算法软件模块；
       智能调度算法模块是整个系统的核心部分，负责根据仓库管理系统发下的任务以及场景中叉车的运行状态和场景地图，依据效率时间优先原则，合理分配每台叉车工作任务和导航路径。
       （3）以太网TCP（wifi/4G/5G）与无人叉车系统数据交互接口软件模块；
       该接口协议模块负责智能调度系统与无人叉车系统的数据交互，通过wifi/4G/5G进行数据传输。主要将调度系统的任务指令及执行路径信息发送到指定的无人叉车，并实时反馈当前无人叉车的必要信息。
       （4）可视化智能调度系统人机交互界面监控软件模块；
       实时显示当前场景内所有无人叉车的位置、运行状态、任务状态、堆货区状态等信息。可以监控无人叉车异常报警信息，进行远程控制。同时，拥有日志记录、数据保存上传查询等功能。
       五．凯莎无人驾驶车辆GV应用系统硬件架构
       凯莎LS-3Dslam无人驾驶车辆应用系统硬件模块是AGV应用系统解决方案各算法软件模块的运行平台，主要通过前端对激光雷达、摄像头、超声波、红外等各类传感器数据融合处理，配置高性能处理器实现对叉车环境的感知、建图、匹配定位等功能，同时结合后台服务器部署智能多机调度管理系统、底层控制模块及软件开发接口，使用户可以完成对各种应用场景类无人叉车开发部署。

图14、凯莎无人叉车应用系统硬件平台架构

       六 ，凯莎无人驾驶车辆的规划部署流程
       1、前期准备
       根据客户仓库环境、货架存储及栈板容器信息，选择适合的叉车进行本体无人叉车调试，同时搜集场景中信息进行调度系统类仿真模拟运行部署。
       2、无人驾驶AGV系统单车整体功能调试
       根据单台无人叉车进行各个单台的功能模块调试，包括建图定位导航、栈板容器精确识别定位、自动叉卸货移动、安全防护避障传感器功能及wifi/4G/5G网络接口通信功能，使单台无人叉车系统能够完成从货堆到货堆无人化搬运功能稳定测试。
       3、客户现场部署
       （1）、根据客户现场仓储物流分布，首先对AGV工作区进行划分。
       （2）、以调试好的任以单台叉车按照既定路径完成AGV仓库工作 环境的3D场景地图构建
       （3）、将构建好的场景地图与实际仓库工作区位置坐标进行变换对应，并存储到智能调度系统进行位置信息管理。
       （4）、将建立好的地图共享分发到每一台场景中要部署的AGV系统。
       （5）自动卸货流程描述如下：
       1）人机交互点位叫料管理系统app：发布搬运任务清单（……）；
       2）智能多机调度管理系统：调配叉车执行任务（例如：时间、卸货、1号位、1号车、路径、堆放区）；
       3）AGV系统本体功能执行：

       4）重复执行，直至任务完成，返回任务状态信息；
       5）任务结束，返回叉车充电放置区或执行下一任务；