激光雷达:加速物流移动机器人智能化升级|物流机器人核心配套件专题(二)

近几年,随着智慧物流的发展以及自动化、智能化、无人化需求的增加,以类Kiva为代表的移动机器人、无人叉车、AGV、无人物流车等得到广泛应用。这些物流移动机器人之所以能够实现自动化、无人化作业,其重要前提便是基于激光雷达技术的不断发展。并且,物流移动机器人作业过程中如何保证自身的安全以及周边环境中人与其他设备的安全,同样离不开激光雷达。激光雷达如同这些设备的“眼睛”,为其安全高效地作业提供了保障。作为物流移动机器人的核心传感器,激光雷达也随之迎来了快速发展。

激光雷达(LiDAR / Laser Radar)是激光探测及测距系统的简称,是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达以其分辨率高,隐蔽性好、抗有源干扰能力强,低空探测性能好,体积小、质量轻等特点,广泛应用于高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced Driving Assistance System)。激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对目标进行探测、跟踪和识别。

激光雷达的种类

简单来说,激光雷达的基础功能是测量和扫描,基于大面积的测量和扫描,可以实现一定范围内的地图构建与障碍物检测从而进行安全避障等。近几年,随着激光雷达技术的不断发展以及成本的大幅下降,激光雷达的应用领域日益广泛,如智能物流、自动驾驶、车路协同等。

在物流领域,激光雷达主要应用于类Kiva机器人、AGV、无人叉车等物流移动机器人,起到导航与避障的作用。因此从功能上来看,激光雷达主要有两大类。

1.导航型激光雷达

导航型激光雷达技术门槛相对较高,要求具有一定的精度及角分辨率(指成像系统或系统的一个部件的分辨能力),其主要作用是构建地图,在物流移动机器人行走过程中通过实时扫描周围环境,并与原来生成的地图匹配确定物流移动机器人的位置,帮助机器人按照指定路径行走。导航型雷达通常安装位置较高,如安装于叉车AGV等设备的顶部等,也具备一定的远距离障碍物探测防撞功能,但由于安装位置较高,避障功能有限。

2.避障型(安全防护型)激光雷达

通常安装于物流移动机器人车身四周(如车头两侧),通过与车体联动,当探测到障碍物时,系统可以控制物流移动机器人减速或者停止,从而达到避障等安全防护的目的。此外,此类雷达也可以倾斜安装在导航型雷达下面,其扫描探测区域可以形成斜切面,从而探测具有一定高度的物体。安全避障型雷达的技术门槛总体低于导航型雷达,但其对目标物的识别能力要求比较高。

镭神智能相关负责人补充介绍称,从具体产品类别上来看,又可以分为机械式激光雷达、混合固态激光雷达、纯固态激光雷达等等,目前物流移动机器人领域的主流产品主要是机械式激光雷达和混合固态激光雷达。例如,通常安装于车身四周的激光雷达主要有2D单线机械式激光雷达、多线机械式和混合固态激光雷达两类,其中后两者可以实现无人叉车、AGV、物流移动机器人的3D立体安全防护。

另据兴颂机器人相关负责人表示,激光雷达搜集点云数据(包括点的距离和强度)后,还可以实现SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)导航。不过,由于激光雷达扫描光束受物体遮挡的原因,难以一次扫描获取整个物体的三维点云数据,因此需要从不同的位置和角度对物体进行多次扫描。此外,机械式激光雷达还分为多线激光雷达和单线激光雷达,室内物流移动机器人多采用单线激光雷达,对于室外物流移动机器人,如无人物流车,以及不同厂区间的重型转运AGV多采用多线激光雷达,并与GPS等设备配合使用,满足不同场景需求。

解决方案丰富

随着物流移动机器人行业的快速发展,进入该领域的企业和解决方案也越来越丰富。从供应商来看,SICK、倍加福、基恩士、劳易测、Velodyne等国际知名品牌,以及科力、兴颂机器人、镭神智能、欧镭激光等一大批快速成长的国内企业,均推出了丰富的产品及解决方案,助力该行业技术升级发展。

这一趋势从近几年的CeMAT ASIA展会上也得到凸显,针对物流移动机器人的激光雷达产品展示越来越多。今年,SICK在AGV上展示的导航类传感器、防撞类传感器和其他检测类传感器三大类传感器共有20多种产品,其中激光雷达产品包括具有安全防撞、精准导航等功能的nanoScan3安全激光扫描仪,以及可以实现大场景轮廓扫描的云平台轮廓扫描系统以及安全防护解决方案等。

 

SICK 在 CeMAT ASIA 2021 展会上展示的应用于 AGV 的激光雷达解决方案

在CeMAT ASIA 2021上,劳易测也展示了SLAM导航及避障应用,利用激光雷达的高分辨率和高检测距离,可有效地绘制出大范围的场景地图,并在AGV运行过程中进行实时地图切换。据劳易测介绍,RSL激光雷达具有精准的重复测量精度,并对深色物体及高反光物体不敏感,同时在数据输出方面可以对反光强度进行量化输出。这样的设计可使AGV设备在单一通道环境下也可以有效区分行进路线和状态;本地化SLAM导航方案可以有效节约用户的使用成本,并针对不同的应用场景采用单雷达定位及双雷达数据耦合定位方式。

激光雷达市场龙头企业Velodyne也针对物流移动机器人领域的需求推出了众多产品。据Velodyne亚太区执行总监翁炜介绍,如 Puck 激光雷达传感器可以提供高能效和环绕视图,它的外形紧凑,适用于短距离传感,且成本较低,这些优势使其成为物流移动机器人应用方案的理想选择。创新的固态激光雷达传感器Velarray M1600,补盲固态激光雷达Velabit™,兼容性高,便于集成组装,而且价格低廉,也可为工业环境中的移动机器人应用提供服务。其中,Velarray M1600采用Velodyne突破性的micro-lidar阵列架构(MLA),为安全导航提供出色的近场感知功能,可在各种具有挑战性的环境条件下支持室内物流移动机器人以及“最后一公里”配送机器人等在没有人工干预的情况下自主、安全地运行。Velabit™解决了自动驾驶解决方案的成本、安全和设计挑战,同时性能先进,可满足Velodyne客户对超宽视场(FoV)和更高分辨率的需求。

 

Velodyne Velarray M1600

 

Velodyne Velabit TM

随着近几年物流移动机器人的快速发展,一大批激光雷达国产品牌也不断成长,迅速壮大,推出了众多高质量产品。

例如,隶属于山东省科学院的科力是中国光电安全保护装置技术领域的代表性企业,已经形成了LS2系列激光雷达、KLM型激光雷达、LSPDmini型安全激光扫描仪、LD系列单点激光雷达、LSE型激光雷达等较为全面的激光雷达产品系列。目前,科力已经与国内多家物流移动机器人企业形成了稳定的合作。

镭神智能作为国内激光雷达领军企业,在智慧物流领域主要提供车规级1550nm/905nm混合固态激光雷达、多线和单线机械式激光雷达;并自研激光雷达专用芯片、1550nm光纤激光器及光纤器件、高精度惯性导航系统等;以及提供基于激光雷达的AGV&无人叉车、移动机器人、低速无人车等2D和3D智能化系统解决方案。公司代表性产品包括安装于前向的CH128X1、LS27X远距离和CH64W大视场补盲混合固态激光雷达;安装于车顶,用于3D建模的3D SLAM CX系列机械式激光雷达;N和M系列2D导航激光雷达,W系列2D避障激光雷达等。

 

镭神智能 3D SLAM 无人叉车,具有 360 °三维感知能力,自主精准识别、对位栈板,多重安全防护预警等功能

欧镭激光的激光雷达产品主要包括2D激光雷达、3D激光雷达以及激光测距传感器设备。其中,自主开发的2D激光雷达传感器主要包括导航型LR-1FA、迷你LR-1BS2270°、迷你 LR-1BS3&5 270°三大产品系列,水平扫描角度有270°和360°两个不同版本,可以满足大部物流移动机器人在安全避障、近距离导航方面的需求。3D激光雷达LR-16F是由欧镭激光开发的具有自有技术产权的小尺寸多通道激光雷达,具有360°(水平)和±15°(垂直)扫描角度,100米检测范围。

 

欧镭激光雷达解决方案

技术不断升级 国产品牌崛起

从以上丰富的产品和解决方案不难看出,激光雷达技术正不断发展升级。

首先,性能大幅提升,无论测量精度、测量范围、角度分辨率、点云密度、点云稳定性、抗环境干扰能力等方面,均在不断提高,这些也是综合评价激光雷达产品优劣和适用性的重要指标。例如,兴颂机器人最新推出的HE系列320°TOF激光传感器不仅体积小,还拥有最远30米测量半径,最小0.025°的角度分辨率,让小型物流移动机器人可以获得更加稳定、真实的点云数据。

 

兴颂机器人激光雷达

其次,成本大幅下降。据镭神智能相关负责人表示,随着激光雷达性能的持续提升,其价格也在不断下降,特别是国内产品价格更是占据了较大优势。“比如镭神智能通过在激光雷达集成化技术上的突破,保证产品性能的同时,可以将成本降得很低。”他进一步举例表示,镭神智能通过使用16线或32线激光雷达替代价格昂贵的反光板雷达,可以快速完成大空间及复杂环境的3D SLAM建图,为客户提供从激光雷达单品到整体解决方案的灵活性选择,且整体方案费用仅为原反光板雷达方案的1/3,甚至更低。

此外,行业对安全性的重视程度在不断提高。“安全是许多物流公司的第一要务。激光雷达的需求增长,不仅集中在物流移动机器人本身,也包括机器人的运行环境。由于仓库的照明条件普遍不够理想,在光线不足的情况下,激光雷达比摄像头更具有优势,可以保障仓库安全,并且保护仓库人员和货物的隐私,提供定位和检测能力。”翁炜表示,“激光雷达是服务于安全的科技产品,Velodyne设计激光雷达解决方案时,始终将安全放在首位。”

面对物流移动机器人行业旺盛的需求,国内外企业均在努力拓展市场。国内企业不断突破“卡脖子”技术,实现技术上的升级,如镭神智能表示已经具备自研自产激光雷达芯片的能力;国外品牌除了推出更高性价比的产品以外,在本地化服务方面也在进一步努力。但总的来看,由于国外产品价格偏高,货期较长,服务响应不够及时等因素,国产企业增势更为明显,特别是在避障型激光雷达这一品类,市场占比越来越高。以兴颂机器人为例,据相关负责人介绍,公司近几年大都保持在20%~30%的稳定增长,2021年激光雷达销量将达到上万套。

镭神智能相关负责人也表示,随着激光雷达技术逐渐成熟,以镭神智能为代表的3D SLAM无人叉车/AGV导航系统方案已大量应用于智慧物流市场,预计在未来几年内将迎来市场大爆发。“国内激光雷达厂商的崛起可以加快物流移动机器人行业智能化时代的到来,芯片自研、核心关键元器件技术、集成化技术的突破,可以保证在产品可靠性、稳定性、一致性足够高的前提下,控制成本,降低激光雷达售价,让客户可以批量投入使用,从而快速推动物流移动机器人行业的智能化转型。”他进一步强调了激光雷达技术发展对于整个物流移动机器人行业发展的重要作用。

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文章来源:物流技术与应用

 

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