应用于野战医疗方舱转运AGV的导航定位技术研究现状.pdf
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1、窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023应用于野战医疗方舱转运AGV的导航定位技术研究现状曲鹏涛,苏琛,吴航,徐新喜,高升,刘培朋,赵秀国*,邢楠*(军事科学院系统工程研究院,天津300161)摘要介绍了磁导航与电磁导航、卫星导航、激光导航和视觉导航4种应用于野战医疗方舱转运自动导引车(automated guided vehicle,AGV)的导航定位技术的研究现状,分析了4种导航定位技术的优缺点与适用性,指出了多传感器融合是未来野战医疗方舱转运AGV导航定
2、位技术的发展方向。关键词野战医疗方舱;AGV;方舱转运AGV;导航定位中国图书资料分类号R318曰U463.67+5文献标志码A文章编号1003-8868渊2023冤07-0107-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2023149Research progress of navigation and positioning technologies applied inautomated guided vehicle for transporting field medical shelterQU Peng-tao,SU Chen,WU Hang,XU Xin-xi,GAO
3、 Sheng,LIU Pei-peng,ZHAO Xiu-guo*,XING Nan*(Systems Engineering Institute of Academy of Military Sciences of the PLA,Tianjin 300161,China)AbstractThe research progress of four technologies applied in automated guided vehicle(AGV)for transporting the fieldmedical shelter was introduced including the
4、technologies of magnetic and electromagnetic navigation,satellite navigation,laser navigation and visual navigation.The four technologies had their advantages,disadvantages and applicability analyzeddeeply,and its pointed out multi-sensor fusion would be the future development direction of AGV navig
5、ation and positioningtechnology when used for transporting the field medical shelter.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造袁2023袁44渊7冤院107-111Key wordsfield medical shelter;automated guided vehicle;automated guided vehicle for transporting shelter;navigationand positioning0引言野战医疗方舱是实现战场、自然灾害中伤员紧急救治的重要装备1
6、。方舱部署速度直接影响战现场伤病员的救治效果,而方舱转运自动导引车(automatedguided vehicle,AGV)可快速转运方舱,实现快速部署。AGV是一种广泛应用于搬运行业的高度自动化、集成化的自主移动式机器人,因其身形类似汽车,故而被称为自动导引车。常见的AGV均属于小型AGV,主要应用于柔性生产线以及自动仓储物流等领域2-3,物流AGV实物图如图1所示。重载AGV目前大量应用于港口码头、车站、机场以及大型加工厂,在运输大型装备、物资、大体积零配件等方面具有天然优势。青岛港执行任务的重载AGV如图2所示4。方舱转运AGV属于重载AGV的一种,整个系统由导航系统、控制系统、驱动系统
7、以及执行系统组成。不同于执行常规任务的重载AGV,方舱转运AGV需要适应不同野战医疗方舱转运阶段的场景变化。传统的重载AGV作业时所承载的物料、装备均是由叉车、吊车、货车等人力进行装卸,存在安全隐患以及效率低下、技术单一的问题。而方舱转运AGV用于转运野战医疗方舱,需自主实现装卸,其转运方舱的过程分为接近方舱阶段、承载方舱阶段、转运方舱阶段,在不同阶段导航定位方式有所不同,这就决定了方舱转运AGV需要集成多种导航定位技术以实现方舱安全、高效转运。作者简介院曲鹏涛(1997),男,硕士,主要从事AGV、机器人导航定位系统设计方面的工作,E-mail:。通信作者院赵秀国,E-mail:;邢楠,E-
8、mail:图1物流AGV2图2重载AGV4General Review综述曲鹏涛,苏琛,吴航,等.应用于野战医疗方舱转运AGV的导航定位技术研究现状J.医疗卫生装备,2023,44(7):107-111.107 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023本文将系统分析适用于方舱转运AGV的导航定位技术的国内外研究现状,对目前导航技术的特点进行分析,提出适用于方舱转运AGV的导航定位技术,并对其未来发展趋势进行展望。1AGV导航定位技术导航定位技术作为AGV系统的
9、关键技术,为AGV实现自助导航、路径规划等功能提供了重要手段。鉴于AGV面临的工作场景多样、任务难易程度不同,通常采用不同的导航技术以实现自身导航,有效提升其工作效率。当前,AGV的导航定位技术主要包括磁导航与电磁导航技术、卫星导航技术、激光导航技术和视觉导航技术等。1.1磁导航与电磁导航技术磁导航与电磁导航技术是指依靠AGV携带的电磁感应设备,与磁带、磁钉或者电磁线周围的磁场进行相互作用的导航技术。例如,田应仲等5设计了一种安装于托盘AGV前方底部的磁传感器,对地面铺设的磁条进行多个采样,并结合射频识别(radiofrequency identification,RFID)系统,读取标签卡中
10、预存储的相应地址与相应动作,完成AGV的前进、后退、转向动作。张力等6同样应用RFID定位结合磁带导引的方式,实现AGV在仓储室内进行定点搬运。以上研究都是基于RFID读卡器与磁传感器的结合,前者实现了路径点的转弯、转向功能,后者实现了路径跟踪功能,能够使AGV在仓储工厂稳定运行。但存在的缺点是只有一台AGV进行工作,效率较低,因为磁导航与电磁导航技术铺设的路径固定且单一,实现多种AGV调度较为困难。且室外大规模铺设导致维修成本高、路径单一、适应性差,不利于重载AGV在室外长时间、远距离运输。除利用单一磁传感器进行导航外,越来越多的研究者专注于采取鲁棒性更好的导航方式,比如磁传感器与惯性传感器
11、联合进行导航7-8,该方法的优点是惯性传感器可以为磁传感器提供精确的位置纠偏数据,能够保证依据磁导航的AGV以更快的响应速度恢复到允许行驶路径的误差之内,但仍存在长时间累积的误差漂移。此外,有些研究者针对磁传感器提供的易于计算的位置偏差量进行控制调整,以期进一步改善简单环境下单一磁导航定位精度差的问题,目前主要有比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制以及基于PID控制的演变算法进行位置偏移量和偏移率的控制9-10,这些方法在环境简单的工厂内部具有良好的定位导航效果。1.2卫星导航技术全球导航卫星系统(global navigation
12、satellitesys-tem,GNSS)主要分为美国全球定位系统、中国北斗星导航系统、俄罗斯全球导航卫星系统、欧洲伽利略系统11。在过去一段时间应用范围最广、覆盖范围最大的是全球定位系统(global position system,GPS)。Yadav等12将GPS作为AGV在室外运行的唯一传感器,并自主开发了可用于定位与跟踪航向的ArduinoIDE软件系统,但其设计的单一系统在很多情形下对AGV定位与航向的判断存在较大误差。通常情况下,在使用单一卫星接收机时,该误差是必然存在的,例如单一接收机无法消除卫星存在的卫星星历误差、信号传播误差。而多种公共来源误差可以借助差分GPS(diff
13、erential global position system,DGPS)手段进行消除,或者耦合多种传感器进行改善。目前,常用的DGPS手段是载波相位差分技术,亦称为实时动态(real time kinematic,RTK)载波相位差分技术,是一种不需要事后解算就能在野外实时获取高精度定位数据的测量方法。例如,曹西京等13分析了单一卫星接收机定位精度低、受干扰严重的缺陷,设计了GPS与航迹推测(dead reckoning,DR)相结合的导航定位系统,采用卡尔曼滤波算法完成对多传感器数据的融合处理与误差估计,提升了导航定位系统的精确度与平稳性。Takasu等14基于差分定位技术设计了一组低成本
14、的RTK方案,解决了卫星定位存在整周模糊度的问题,并开源了基于载波定位的程序算法包RTKLIB,为RTK方案的进一步应用提供了很大的技术支持。Higuchi等15同样通过RTK技术,设计了浮点RTK方案,提升了定位精确度并降低了定位失败比例。除差分定位技术外,卫星系统与其他内部传感器耦合定位解决方案也发挥着巨大作用。Liu等16提出了一种GPS与里程计数据耦合的方法,使用基于贝叶斯的容积卡尔曼滤波器(cubature Kalman filter,CKF)形成分布策略,将车辆运行的轨迹约束引入特定的粒子滤波解决方案中。该方法相比传统CKF方法能够精确估计车辆的纬度位置,但对于水平经度位置仍存在不
15、可消除的误差。而提高RTK技术的卫星定位精度方法是将GPS与其他传感器相耦合,以降低单一传感器的估计误差。Takahashi等17改变了不同卫星接收机使用时的信噪比,并在单频RTK-GNSS定位中融入惯性导航系统,改善了RTK-GNSS模糊解的计算性能,提高了GNSS的定位准确性。Kubo等18同样采用惯性测量单元改善RTK-GNSS的定位质量,将惯性测量单元、多普勒测量速度传感器以及General Review综述曲鹏涛,苏琛,吴航,等.应用于野战医疗方舱转运AGV的导航定位技术研究现状J.医疗卫生装备,2023,44(7):107-111.108 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第
16、7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023RTK-GNSS信息通过CKF进行融合,惯性测量单元和传感器能够在无卫星信号时提供定位功能,并在卫星信号恢复时对前者数据进行矫正19。此外,惯性测量单元的存在还可以消除城市环境下多路径因素对卫星导航设备的固有影响。1.3激光导航技术目前运用激光传感器进行AGV导航定位的技术大致有2种。一种是基于反射板通过三角几何原理计算的激光定位技术,另外一种是无标志物辅助的激光同时定位与建图(simultaneous localization andmapping,SLAM)
17、技术。例如,在机车检修基地等场景下发挥运输作用的激光导引AGV20、运输大型钢圈设备的重载AGV21,都是通过空间反射板反射激光的原理进行空间避障。张妮娜22提出的国内首台激光叉车型AGV同样利用激光三角定位原理对自身定位。激光定位技术不仅能够确定AGV的自身位置,还可以对环境中的特殊点进行相应的定位。例如张悦悦23设计的系统利用激光检测反光板计算AGV的位置,并通过切换模式储存已扫描的反光板位置,进而生成带有AGV位置的反光板布局地图,以便后续导航规划、定位使用。石林炜24设计的以激光为导航手段的叉车型AGV同样采用该方法对AGV与反射板进行建图,不同之处是其建立的地图属于高精度二维数字地图
18、,但需要事先对工作区域环境进行仔细、精密的地图绘制,保证AGV工作角落没有任何盲区。唯一不足之处是这种结合先验地图与激光反射板定位的方法需要在前期做大量的精细地图绘制工作。针对此问题,王翔25提出了RFID与激光雷达技术相结合的定位方法,利用RFID可以快速获得远距离物体及周围环境的准确位置信息,弥补了激光雷达识别性差的缺陷,同时实现了AGV自身传感器的一次测量和多次回环检测时的定位矫正。这2种技术的结合能够快速定位AGV,并准确获知其周围特定物体、指定场景的空间位置,能够快速、可靠地建立AGV与周围环境的地图信息。上述基于三角定位原理的激光定位方法在室内场景具有定位精度高、鲁棒性好等优点,但
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