移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航方式的演進(jìn)

在過(guò)去二十年時(shí)間里，移動(dòng)機(jī)器人逐步進(jìn)入到工業(yè)和商用場(chǎng)景，工業(yè)物流搬運(yùn)、最后一公里配送、安防巡邏、電力巡檢等等應(yīng)用。一方面，是整體產(chǎn)業(yè)需求的演進(jìn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，另一方面，與移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航方式的進(jìn)化息息相關(guān)。

移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方式從磁條導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、激光導(dǎo)航再到視覺(jué)導(dǎo)航，每次導(dǎo)航方式的提升都帶來(lái)了新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)。本文將從定位導(dǎo)航方式演進(jìn)的角度，分析其帶來(lái)的市場(chǎng)應(yīng)用的變化。

磁條導(dǎo)航是最常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)器人定位與導(dǎo)航方式，在過(guò)去二十年時(shí)間發(fā)揮了巨大的作用。我們看到當(dāng)年移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域大的玩家，例如新松、華曉、昆船、機(jī)科等，都將磁導(dǎo)航發(fā)揮到了極致，特別是在汽車(chē)領(lǐng)域。

圖1 磁導(dǎo)引AGV

圖2 某汽車(chē)工廠大件直送方案（注：來(lái)自于華曉官網(wǎng)）

在這些領(lǐng)域的推廣過(guò)程，大多是產(chǎn)線(xiàn)相對(duì)比較穩(wěn)定，物流搬運(yùn)的路線(xiàn)相對(duì)比較統(tǒng)一，將人力不好搬運(yùn)的組裝生產(chǎn)零件變成自動(dòng)化的解決方案，以提高運(yùn)行效率。磁導(dǎo)引在這個(gè)過(guò)程中，也充分發(fā)揮了其成本低、易于實(shí)施、定制方便以及穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此可以在市面上看到很多磁導(dǎo)引移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用。

但在過(guò)去的十余年間，磁導(dǎo)引的一些問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，路線(xiàn)固定、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后不易調(diào)整、磁條容易受到現(xiàn)場(chǎng)金屬等物體的破壞等等，也給用戶(hù)帶來(lái)了很多的困擾。新的應(yīng)用也在催生新的導(dǎo)航方式。

二維碼導(dǎo)航的應(yīng)用，是由Kiva帶火的，亞馬遜在2012年斥資7.75億美元收購(gòu)Kiva systems公司的機(jī)器人項(xiàng)目，這家公司專(zhuān)注于如何利用機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)里完成網(wǎng)上大量的訂單派發(fā)工作，將二維碼導(dǎo)引帶進(jìn)了人們的視野。

我是在14年的時(shí)候第一次看到亞馬遜倉(cāng)庫(kù)里跑滿(mǎn)了Kiva機(jī)器人的視頻，是非常震撼的，集群化的作業(yè)調(diào)度和整體系統(tǒng)化的改造令人震驚。

圖3 Kiva機(jī)器人在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)了大量圍繞在倉(cāng)儲(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人公司，如快倉(cāng)、Geek+、牧星，當(dāng)然還有快速入局的海康威視，以及去年被曠視收購(gòu)的艾瑞斯，先后在阿里巴巴、京東、申通等電商物流場(chǎng)景中投入使用。

雖然電視媒體報(bào)導(dǎo)的很多，智慧物流等概念提了一波又一波，但是這一整套的實(shí)施成本是非常高的，不僅僅是機(jī)器人本身，更多是整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的調(diào)整。

二維碼導(dǎo)航的原理，并不復(fù)雜，是通過(guò)二維碼相機(jī)掃描地面上的二維碼信息，獲得其ID，由ID的索引map得到位置信息。市面上，相對(duì)穩(wěn)定且量大的二維碼傳感器也就是倍加福和海康威視，目前國(guó)內(nèi)大部分二維碼導(dǎo)引的機(jī)器人公司都是用這兩家的傳感器。

二維碼導(dǎo)引的方式，成本低、部署容易、線(xiàn)路也方便調(diào)整，但是最大的問(wèn)題還在于貼在地上的二維碼容易被磨損，需要定期維護(hù)，當(dāng)然對(duì)于地面平整度要求也很高。所以二維碼導(dǎo)引用在一次沒(méi)有其他干預(yù)的場(chǎng)景是非常合適的，比如電商倉(cāng)儲(chǔ)，或者地面情況好的無(wú)人車(chē)間。

圖4 Youibot Corgi 兼容二維碼和激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航這個(gè)技術(shù)由來(lái)很久了，提到激光導(dǎo)航，不得不說(shuō)起SLAM技術(shù)。SLAM(simultaneous localization and mapping), 即時(shí)定位與地圖構(gòu)建。機(jī)器人進(jìn)入未知環(huán)境遇到的第一個(gè)問(wèn)題，是路徑規(guī)劃及許多其他任務(wù)的前提，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主性的關(guān)鍵。我們將其稱(chēng)之為機(jī)器人的“內(nèi)外兼修”。

激光SLAM的理論體系發(fā)展，在上世紀(jì)基本就相對(duì)成熟了，但是其工程化的落地也在最近幾年才得以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)并推廣。

圖5 SLAM與機(jī)器人

最早國(guó)外NDC科爾摩根、ANT等激光導(dǎo)航模塊供應(yīng)商在市場(chǎng)投入使用，給印刷、包裝、醫(yī)療、機(jī)床和機(jī)器人等行業(yè)的OEM機(jī)器制造商提供了解決方案。但市場(chǎng)并沒(méi)有快速的推廣使用，其原因有很多，成本高、實(shí)施門(mén)檻高等等。

當(dāng)然這里面的最核心問(wèn)題還是市場(chǎng)應(yīng)用沒(méi)有快速起來(lái)，在過(guò)去的5~10年時(shí)間內(nèi)，之前工廠使用移動(dòng)機(jī)器人的思考邏輯還是怎么去使用移動(dòng)機(jī)器人去搬運(yùn)人不好搬的東西，所以我們能看到早期的AGV都是重載類(lèi)型的；同樣的原因，是商用服務(wù)以及專(zhuān)業(yè)服務(wù)的需求還沒(méi)有大量的產(chǎn)生。

盡管在2015-2017年服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)非常活躍，但真正需要跑起來(lái)的服務(wù)機(jī)器人少之又少，基本上是一個(gè)擺件，那時(shí)候說(shuō)SLAM的服務(wù)機(jī)器人廠家基本都在瞎扯，其實(shí)其本質(zhì)還在于語(yǔ)音與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的交互。

圖6  YouiPilot 激光SLAM后端系統(tǒng)

在這幾年的發(fā)展，我們關(guān)注到制造業(yè)特別是離散制造行業(yè)，飛機(jī)、汽車(chē)配件、3C半導(dǎo)體等行業(yè)，嘗試將工廠的物質(zhì)流進(jìn)行聯(lián)通，所帶來(lái)的效果是整體效率的提升，保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定、連續(xù)和可控。

激光導(dǎo)引方式，其適應(yīng)性好、不需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行額外的改造、部署效率高、任務(wù)調(diào)整快等優(yōu)點(diǎn)，使得其在制造和更多場(chǎng)景帶來(lái)了新的應(yīng)用可能。移動(dòng)機(jī)器人AMR在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止代替人類(lèi)做搬運(yùn)，而產(chǎn)生了更大的價(jià)值。

圖7  Trans 200在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)

激光SLAM的AMR帶來(lái)了更多任務(wù)的可能，基本可以實(shí)現(xiàn)【備料倉(cāng)-生產(chǎn)線(xiàn)-成品倉(cāng)】整個(gè)物流環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖8  YouiTMS直接生產(chǎn)材料過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)

除了直接的生產(chǎn)材料過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)，在間接生產(chǎn)材料車(chē)間的配送，也發(fā)揮了巨大的價(jià)值。

圖9  YouiTMS間接生產(chǎn)材料車(chē)間配送

不僅僅在制造行業(yè)，在專(zhuān)用服務(wù)行業(yè)，激光導(dǎo)航也發(fā)揮了其優(yōu)點(diǎn)，特別是在電力電廠等巡檢場(chǎng)景。一般這種巡檢場(chǎng)景是，范圍大、精度要求高（不然看不到儀表）、現(xiàn)場(chǎng)不易改造或者改造成本高，這種剛好是激光導(dǎo)引最擅長(zhǎng)的。

圖10  激光SLAM在巡檢及操作場(chǎng)景的應(yīng)用

當(dāng)然，激光導(dǎo)航還有其成本高等缺點(diǎn)，主要也是圍繞在激光雷達(dá)整體的價(jià)格原因，導(dǎo)致其在民用等場(chǎng)景中的使用難度。因此，大家也在積極探索視覺(jué)導(dǎo)航等方式。

視覺(jué)SLAM是過(guò)去幾年間，無(wú)論學(xué)術(shù)還是產(chǎn)業(yè)都很熱門(mén)的一個(gè)方向，MonoSLAM、Orb-SLAM、LSD-SLAM、KinectFusion等等。我們都深知視覺(jué)SLAM的未來(lái)應(yīng)用的潛力，其成本低、環(huán)境信息更豐富、不需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行任何改造，都會(huì)使得其應(yīng)用的范圍更廣，比如用在更多的服務(wù)機(jī)器人身上。

但現(xiàn)實(shí)非常骨感，目前視覺(jué)SLAM不成熟、不穩(wěn)定、不可靠、對(duì)光線(xiàn)等環(huán)境因素依賴(lài)性大，一般用在掃地機(jī)器人，對(duì)精度和穩(wěn)定性沒(méi)有任何要求的場(chǎng)景。

視覺(jué)SLAM用在工業(yè)里面的，大多都是視覺(jué)路標(biāo)（在墻上貼二維碼）的方式，如果硬說(shuō)是視覺(jué)SLAM，我也知道只能說(shuō)特別特別牽強(qiáng)了。在這個(gè)里面，我們有大量的問(wèn)題還沒(méi)有解決，任重而道遠(yuǎn)。

圖11  形形色色的服務(wù)機(jī)器人

導(dǎo)航只是一個(gè)工具或者說(shuō)方法而已，在不同的場(chǎng)景選擇最合適的方案服務(wù)客戶(hù)和產(chǎn)生價(jià)值才是王道！希望我們每個(gè)從事這個(gè)行業(yè)的科研、產(chǎn)業(yè)人士能夠回歸本質(zhì)，以?xún)r(jià)值為綱。

轉(zhuǎn)載于“知乎作者張三瘋的《移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航方式的演進(jìn)與市場(chǎng)應(yīng)用的變化》一文”。

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