乘风破浪，遇见新一代工业互联网(Industrial Internet)之自动驾驶和机器人控制系统核心技术和基础名词，加速世界向智能化制造业的转变

历史

1939年纽约博览会，自动驾驶界的祖师爷通用(General Motors)在“通用未来世界展示(GM Futurama)”上提出高速公路自动驾驶的概念，并展望在在1960年实现高速公路自动驾驶。

20世纪50年代的高速公路自动驾驶汽车，取消了踏板和方向盘，甚至都不用驾驶员，开关开启后驾驶都靠汽车实现，驾驶员和乘客可以在车里打打桥牌、打打麻将三缺一，根据SAE自动驾驶等级划分这个算L4，这个理念放到今天仍然不过时。

通用吹下的NB在1960年终究没实现，但它给汽车界解锁了另一扇窗，开启自动驾驶发展的元年。

SAE J3016对自动驾驶如何分级

L0的系统加减速和转向都是驾驶员负责，L1的系统加减速或转向其中一个是由系统负责。L2的系统加减速和转向均为系统负责，但是系统工作的过程中需要驾驶员“监督”，必要时需要驾驶员“纠正”系统的操作。L3的系统加减速和转向均为系统负责，工作过程中也不需要驾驶员“监督”，系统会自我监督，当系统不可控时，提示驾驶员控制。L4的系统加减速和转向、不需要驾驶员监督，系统会自我监督，也不需要驾驶员随时准备控制，前提是只能在部分域使用。L5的系统在L4基础上由部分域提升为全部域。

无人驾驶专指L4、L5阶段，汽车能够在限定环境乃至全部环境下完成全部的驾驶任务。

自动驾驶则覆盖L1到L5整个阶段，在L1、L2阶段，汽车的自动驾驶系统只作为驾驶员的辅助，但能够持续地承担汽车横向或纵向某一方面的自主控制，完成感知、认知、决策、控制、执行这一完整过程，其他如预警提示、短暂干预的驾驶技术(ADAS)不能完成这一完整的流程，不在自动驾驶技术范围之内。

智能驾驶则包括自动驾驶，以及其他辅助驾驶技术。他们能够在某一环节为驾驶员提供辅助甚至能够替代驾驶员，优化驾车体验。

核心技术

定位技术(Positioning Technology)

• 视觉(Vision) + 激光(Laser) + 惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, 简称IMU)

感知技术(Perception Technology)

• 视觉(Vision) + 激光(Laser)
• 深度学习(Deep Learning)

控制技术(Control Technology)

• 实时路径规划(Real-Time Motion Planning)
• 视觉伺服控制(Visual Servo Control)

调度技术(Scheduling Technology)

• 大规模、多层次机器人调度技术(Large-scale Multi-level Robots Scheduling Technology)

相关名词

系统名词

• 仓库管理系统(Warehouse Management System, 简称WMS)

它具备入库业务、出库业务、仓库调拨等功能，从ERP系统接受入出库物料清单和MES系统中接受入出库指令，协同AGV小车完成物料配送的自动化，实现立体仓库、平面库的统一仓储信息管理。

• 仓储控制系统(Warehouse Control System, 简称WCS)

它介于WMS系统和PLC系统之间的一层管理控制系统，一方面，它与WMS系统进行信息交互，接受WMS系统的指令，并将其发送给PLC系统，从而驱动自动化设备发生动作，另一方面，它将PLC系统的状态及数据实时反映在界面上，并提供对PLC系统和输送线的手动调试接口。

• 制造执行系统(Manufacturing Execution System, 简称MES)

它负责车间中生产过程的数字化管理， 实现信息与设备的深度融合，为ERP系统提供完整、及时、准确的生产执行数据 ，是智能工厂的基础。

• 企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning, 简称ERP)

它是企业信息化的核心系统，管理销售、生产、采购、仓库、质量、成本核算等。

• 产品生命周期管理系统(Product Lifecycle Management, 简称PLM)

它负责产品设计的图文档、设计过程、设计变更、工程配置的管理，为ERP系统提供最主要的数据源BOM表，同时为MES系统提供最主要的数据源工艺路线文件。

• 订单管理系统(Order Management System, 简称OMS)

它信息系统集中管理的核心模块，是实现宏观调控、统一管理和决策分析的核心，不仅仅是订单执行的分配，而是监控异常，管理订单全程生命周期的系统。

• 供应商关系管理(Supplier Relationship Management, 简称SRM)

它建立在对企业的供方以及与供应相关信息完整有效的管理与运用的基础上，对供应商的现状、历史，提供的产品或服务，沟通、信息交流、合同、资金、合作关系、合作项目以及相关的业务决策等进行全面的管理与支持。

• 客户关系管理(Customer Relationship Management, 简称CRM)

企业为提高核心竞争力，利用相应的信息技术以及互联网技术协调企业与顾客间在销售、营销和服务上的交互，从而提升其管理方式，向客户提供创新式的个性化的客户交互和服务的过程。

• 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, 简称PLC)

一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载存储器内存储与运行。PLC可接收(输入)及发送(输出)多种类型的电气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

• 集散控制系统(Distributed Control System, 简称DCS)

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

• 任务处理系统(Task Processing System, 简称TPS)

设备名词

• 环境监测系统(Environmental Monitoring System, 简称EMS)

• 电梯(Elevator)

• 自动门(Automatic Door)

• 滚筒输送机(Roller Conveyor)

• 按钮(Button)

• 平板电脑(Tablet)

有轨制导车辆(RGV)

有轨制导车辆(Rail Guided Vehicle, 简称RGV)，或称有轨穿梭小车，可用于各类高密度储存方式的仓库，小车通道可设计任意长，可提高整个仓库储存量，并且在操作时无需叉车驶入巷道，使其安全性会更高。RGV是与地面导轨接触式的运输车，具有速度快、可靠性高、成本低的特点。

自动导航车辆(AGV)

自动导航车辆(Automated Guided Vehicle, 简称AGV)是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。具有自动移载装置的AGV小车在控制系统的指挥下能够自动地完成货物的取、放以及水平运行的全过程。

工业应用中不需要驾驶员的搬运车，以可充电的蓄电池为其动力来源。一般可通过电脑来控制其行进路径以及行为，或利用电磁轨道(electromagnetic path-following system)来设立其行进路径，电磁轨道黏贴于地板上，无人搬运车则依靠电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。

AGV与自主移动机器人(AMR)不同，是一种便携式机器人，它沿着地板上标记的长线或电线前进，或使用无线电波、视觉摄像机、磁铁或激光进行导航。它们最常被用于工业应用中，在大型工业建筑(如工厂或仓库)周围运输重型材料。

AGV可以在其身后的拖车上拖动物体，它们可以自主地附着在拖车上。拖车可用于移动原材料或成品。AGV还可以在床上储存物体。物体可以放在一组电动滚轮(传送带)上，然后通过倒车将其推走。AGV几乎在每个行业都有应用，包括纸浆、造纸、金属、报纸和一般制造业。在医院里运输材料，如食品、床单或药品，也是如此。

AGV也可以被称为激光引导车辆(Laser Guided Vehicle, 简称LGV)。在德国，该技术也被称为Fahrerloses Transportsystem(FTS)，在瑞典被称为förarlösa truckar。成本较低的AGV通常被称为自动引导车(Automated Guided Carts, 简称AGC)，通常由磁带引导。术语AMR有时被用来区分不依赖环境中的额外基础设施(如磁条或视觉标记)的移动机器人和依赖这些基础设施的移动机器人；后者则被称为AGVs。

优点

• 自动化程度高

由计算机，电控设备，磁气感应SENSOR，激光反射板等控制。

当车间某一环节需要辅料时，由工作人员向计算机终端输入相关信息，计算机终端再将信息发送到中央控制室，由专业的技术人员向计算机发出指令，在电控设备的合作下，这一指令最终被AGV接受并执行——将辅料送至相应地点。

• 充电自动化

当AGV小车的电量即将耗尽时，它会向系统发出请求指令，请求充电(一般技术人员会事先设置好一个值)，在系统允许后自动到充电的地方“排队”充电。

另外，AGV小车的电池寿命很长(2年以上)，并且每充电15分钟可工作4h左右。

• 提高企业形象

AGV美观，可观赏度高，从而提高企业的形象。

• 方便，减少占地面积

生产车间的AGV小车可以在各个车间穿梭往复。

种类

• 电磁感应引导式AGV

电磁感应式引导一般是在地面上，沿预先设定的行驶路径埋设电线，当高频电流流经导线时，导线周围产生电磁场，AGV上左右对称安装有两个电磁感应器，它们所接收的电磁信号的强度差异可以反映AGV偏离路径的程度。AGV的自动控制系统根据这种偏差来控制车辆的转向，连续的动态闭环控制能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。这种电磁感应引导式导航方法在绝大多数商业化的AGVS上使用，尤其是适用于大中型的AGV。

• 激光引导式AGV

该种AGV上安装有可旋转的激光扫描器，在运行路径沿途的墙壁或支柱上安装有高反光性反射板的激光定位标志，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接受由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机计算出车辆当前的位置以及运动的方向，通过和内置的数字地图进行对比来校正方位，从而实现自动搬运。

该种AGV的应用越来越普遍。并且依据同样的引导原理，若将激光扫描器更换为红外发射器、或超声波发射器，则激光引导式AGV可以变为红外引导式AGV和超声波引导式AGV。

• 视觉引导式AGV

视觉引导式AGV是正在快速发展和成熟的AGV，该种AGV上装有CCD摄像机和传感器，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数据库。AGV行驶过程中，摄像机动态获取车辆周围环境图像信息并与图像数据库进行比较，从而确定当前位置并对下一步行驶做出决策。

这种AGV由于不要求人为设置任何物理路径，因此在理论上具有最佳的引导柔性，随着计算机图像采集、储存和处理技术的飞速发展，该种AGV的实用性越来越强。
此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。

机器人控制系统(RCS)

机器人控制系统(Robot Control System, 简称RCS)，亦或称为中控调度系统，是一种可视化的智能调度系统，可连接多达150台无人工业车辆进行通讯及任务分配。面向大规模工业车辆调度场景，可实现多车调度、路径规划、碰撞规避、任务管理、数据分析等功能。无缝对接MES、WMS、ERP等系统，配合未来机器人视觉导航模块，实现多机型、跨场景调度，为企业提供快速、整体的工业车辆协同方案。

其用于与物流设备(输送机、堆垛机、升降机、RGV、AGV)之间实时通信，实时控制物流设备运行，并监控物流设备运行状态，保障整个系统运行稳定，可靠。

明眸环境监测系统(BES)

明眸环境监测系统(BrightEye System, 简称BES)基于深度学习图像识别技术，实现对库位(Storage Location)情况的实时检测。

借助大数据和AI智能算法，系统能有效识别和跟踪仓库中的货物、托盘、叉车和操作人员等对象，并将对象信息实时共享到用户的仓库管理系统(WMS)和中控调度系统(RCS)，为企业提供库位安全信息的同时，辅助AGV、巡检机器人(Patrol Robots)等智能化设备的无人化作业。

此外，明眸环境监测系统还具备红外检测功能，在无照明情况下依然能够进行实时检测任务。

业务场景

柔性物流自动化解决方案涵盖工厂和仓储所有内部物流场景。

• 平面搬运

适用于标准载具、非标载具和无载具物料的自动化搬运。

• 货车装卸

精准匹配不同车型，实现内部物流全流程的高度自动化。

• 高位存取

结合物料规格、货架类型、仓储布局等因素，可突破9.4m高位存取。

• 多层堆叠

融合“视觉+3D激光”导航感知技术，实现六层以上货物的精准堆垛。

• 室内外牵引

融合高精度导航、定位和环境感知技术，灵活应对复杂的户外环境。

• 集成服务

通过机器人管理系统与电梯、卷闸门、产线、立库等设施对接，适配不同的业务流程。

AGV的位姿

车辆的位置和姿态一般由AGV的定位模块输出，只有解决了车辆的位置和姿态，才能将AGV的各个模块关联起来。

车辆的位置

车辆的位置(Vehicle Reference Point, 简称VRP)一般选取一个车辆的基准点在世界坐标系的位置作为车辆位置。坐标系有WGS-84坐标系(the World Geodetic System dating from 1984)、ENU坐标系(East-North-Up)。

车辆的姿态角

• 欧拉角

在右手笛卡尔坐标系中沿X轴、Y轴和Z轴的旋转角分别叫Roll、Pitch和Yaw

参考

• RCS机器人控制系统
• 工厂信息化系统(ERP、PLM、MES、WMS)架构设计与建设规划
• WMS(仓库控制系统)与WCS(仓库管理系统)
• 什么是DCS？关于集散控制系统DCS的简介
• 自动驾驶硬件系统(十)- Inertial Measurement Unit (IMU)
• 从零开始学习自动驾驶系统(八)-基础知识之车辆姿态表达
• 欧拉角(Euler Angle)
• 关于pitch、roll、 yaw的示意图和Laya.Quaternion.createFromYawPitchRoll用法
• 自动驾驶硬件(十一)-Global Navigation Satellite System-GNSS
• 自动驾驶系统中怎么实现车辆定位？
• 2019快过去了，自动驾驶发展得怎么样了？