Khái niệm xe tự hành AGV và các loại điều hướng

1. Khái niệm xe tự hành AGV 

Xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là robot di động có hướng dẫn bằng các line từ, điểm từ được đánh dấu trên sàn hoặc sử dụng sóng vô tuyến, camera quan sát, nam châm hoặc tia laser, lidar để điều hướng. 

Chúng thường được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng công nghiệp để vận chuyển vật liệu, sản phẩm xung quanh một tòa nhà công nghiệp lớn, chẳng hạn như nhà máy hoặc nhà kho. Ứng dụng của phương tiện dẫn đường tự động đã được mở rộng trong cuối thế kỷ 20.

2. Lịch sử phát triển

Chiếc AGV đầu tiên xuất hiện vào đầu những năm 1950 và chỉ hơn một chiếc xe tải kéo được tôn vinh, mặc dù loại xe không yêu cầu người lái hoặc hệ thống đường ray cố định, thay vào đó điều hướng bằng cách đi theo một đường dây được nhúng trong sàn nhà máy tạo ra một từ trường. Dây điện đã nhường chỗ cho băng từ, dải quang học và cuối cùng là dẫn đường bằng laser và các hệ thống dẫn đường phức tạp hơn khác, nhưng công việc của AGV vẫn như cũ: di chuyển vật liệu nặng dọc theo một tuyến đường xác định trong nhà máy hoặc nhà kho.

Chiếc AGV đầu tiên đó được phát minh bởi Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation of Walker, bang Michigan – USA.. Một nhà phát minh với một giấc mơ sáng chế ra một phương pháp tự động hoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm.

3. Các loại điều hướng 

a) Điều hướng điện từ, điểm từ: 

Điều hướng điện từ là một phương pháp hướng dẫn tương đối truyền thống. Hình thức thực hiện là nhúng một dây kim loại trên đường lái xe của xe được điều khiển tự động, và tải dòng điện tần số thấp và điện áp thấp trên dây kim loại để tạo ra từ trường và truyền từ trường qua cảm biến điện từ trên tàu. Nhận dạng và theo dõi mạnh và yếu cho phép điều hướng, hoàn thành phân công nhiệm vụ bằng cách đọc thẻ RFID được nhúng sẵn.

Ưu điểm chính của hướng dẫn điện từ là dây kim loại được chôn trong lòng đất (cách mặt đất 2cm), được che giấu và không dễ bị hư hại. Nguyên tắc hướng dẫn là đơn giản và đáng tin cậy, và nó không có sự can thiệp vào âm thanh và ánh sáng, và chi phí sản xuất thấp. Nhược điểm là việc đặt dây kim loại rất rắc rối, khó thay đổi và mở rộng đường dẫn, và cảm ứng điện từ dễ bị ảnh hưởng bởi các chất sắt từ như kim loại.

Hướng dẫn điện từ có một lộ trình tương đối đơn giản và yêu cầu hoạt động liên tục 24 giờ (như sản xuất ô tô) cho một loạt các ứng dụng.

*Điều hướng điểm từ: Các điểm từ được đặt cách nhau 250-500mm để tạo ra 1 đường nhìn thấy được. Các AGV đi từ điểm này sang điểm khác bằng cách sử dụng các cảm biến và điều khiển các cảm biến hiệu ứng hội trường, bộ mã hóa, bộ đếm, cảm biến con quay hồi chuyển và các loại bộ mã hóa khác để hiệu chỉnh chống lại các lỗi góc lái.

– Ưu điểm: Dễ lắp đặt, độ chính xác cao (+- 2mm), không mất phí bảo hành. 

– Nhược điểm: Lắp đặt phức tạp hơn điều hướng dải từ. 

b) Điều hướng dải từ

Công nghệ điều hướng dải từ tương tự như điều hướng điện từ. Sự khác biệt là dải từ được đặt trên mặt đường thay vì nhúng đường kim loại dưới mặt đất và tín hiệu cảm biến dải từ được sử dụng để dẫn hướng.

Ưu điểm điều hướng dải từ: 

– Định vị AGV là chính xác

– Việc đặt, thay đổi hoặc mở rộng đường dẫn tương đối dễ dàng, không cần kỹ sư chuyên nghiệp so với điều hướng điện từ 

– Chi phí dải từ thấp và hiệu quả cao. 

– Không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, bụi bẩn. 

Nhược điểm: 

– Băng từ dễ bị hỏng, yêu cầu bảo trì thường xuyên và thay đổi đường dẫn yêu cầu đặt lại băng. 

– AGV chỉ có thể đi trên băng từ, không đạt được sự tránh né thông minh hoặc thay đổi nhiệm vụ trong thời gian thực thông qua hệ thống điều khiển.

– Lắp đặt rất nhiều các dải từ trên sàn làm phức tạp việc quản lí. 

Các phương pháp hướng dẫn tương tự như nguyên tắc điều hướng dải từ là điều hướng móng từ tính và điều hướng ruy băng. Điều hướng móng từ tính là để đặt móng từ tính trên mặt đất. Ưu điểm là che khuyết điểm tốt, chống nhiễu mạnh, chống mài mòn, kháng axit và kiềm; Nhược điểm là nó dễ bị ảnh hưởng bởi vật liệu sắt từ, và việc xây dựng đường dẫn sửa đổi là lớn, dễ gây ra thiệt hại cho mặt đất. Nói chung chỉ được sử dụng trong bến cảng. Hướng dẫn ruy băng là dán ruy băng hoặc sơn trên mặt đất, và nhận dạng tín hiệu hình ảnh bằng cảm biến quang học trên tàu được sử dụng để nhận ra hướng dẫn. Vì ruy băng dễ bị nhiễm bẩn và phá hủy, môi trường cao và độ chính xác định vị thấp, do đó ứng dụng cũng rất hạn chế.

Điều hướng từ tính được ưu tiên chính cho Xe đẩy có hướng dẫn tự động (AGC). Điều hướng từ tính chính xác cho phép AGVS cấu hình thấp chở các  từ bên dưới.

c) Điều hướng mã QR

Nguyên tắc điều hướng mã QR là AGV quét mã QR được in và dán trên mặt đất thông qua camera hoặc cảm biến chuyên dụng và lấy thông tin vị trí hiện tại bằng cách phân tích thông tin được mã hóa trong mã QR đó. Điều hướng mã QR thường được kết hợp với điều hướng quán tính để đạt được vị trí chính xác. Điều hướng quán tính sử dụng các cảm biến đặt trên AGV như encoder, con quay hồi chuyển… để có được vị trí hành động của AGV, các cảm biến này giúp định vị phụ trợ cho cảm biến mã QR.

Ưu điểm của điều hướng mã QR: Định vị chính xác, nhỏ và linh hoạt, dễ thay đổi đường đi, dễ kiểm soát giao tiếp và không bị nhiễu với âm thanh và ánh sáng.

Nhược điểm của điều hướng mã QR: Các vị trí dán mã QR cần được bảo trì thường xuyên. Nếu đường di chuyển phức tạp, mã QR cần được thay thế thường xuyên. Cần phải tuân thủ về độ chính xác và tuổi thọ của các mã QR được dán. Ngoài ra, có một số yêu cầu nhất định về độ phẳng của mặt sàn và giá tương đối cao.

d) Điều hướng laser

Điều hướng laser được chia thành điều hướng phản xạ laser và điều hướng tự nhiên:

Điều hướng phản xạ laser là cảm biến phản xạ chính xác được cài đặt để quét môi trường xung quanh AGV. Cảm biến quét laser phát ra chùm tia laser khi AGV di chuyển, tia laser phát ra đập vào các tấm gương phản xạ đặt dọc theo được đi của AGV, bộ điều khiển sẽ ghi lại góc khi đầu laser quay gặp gương phản xạ. Bộ điều khiển tính toán tọa độ tuyệt đối của AGV dựa trên đối chiếu các giá trị góc này với vị trí thực tế của nhóm gương phản xạ và thực hiện điều khiển AGV di chuyển chính xác.

Thiết bị Điều hướng gửi các tia laser xoay theo mô hình 360 độ.

Những tia này gặp một số mục tiêu phản xạ. Bộ phản xạ là băng hoặc hình trụ phản chiếu cao khoảng 20 inch (60 cm) được đặt trong các cấu trúc cơ sở như cột, tường, lỗ, v.v. Trung tâm phản xạ phải được đặt ở độ cao Thiết bị Điều hướng và cách xa tối đa 100 ft (30 mét) AGV.

Bộ phản xạ gửi tín hiệu laser trở lại Thiết bị Định vị Laser AGV.

LGV phải có được ít nhất ba trong số các phản hồi tia này để cho phép tính toán định vị nhờ các thuật toán rất phức tạp.

Tùy thuộc vào nhà sản xuất AGV, LGV tính toán và điều chỉnh vị trí của nó trong khoảng từ 30 đến 40 lần mỗi giây. Những thiết bị này là vô cùng chính xác.

Ưu điểm của điều hướng laser : 

– Phương pháp điều hướng laser cho phép AGV lập kế hoạch công việc linh hoạt vì đường đi không phải là cố định 

– Định vị chính xác, độ chính xác lên đến +-5mm

– Đường đi của xe rất linh hoạt, xây dựng thuận tiện, nhanh chóng, phần lớn công việc được thực hiện tại nhà máy của nhà sản xuất và có thể thích ứng với nhiều môi trường sử dụng khác nhau.

– Tốc độ di chuyển nhanh lên tới 2m/s

– Không mất phí bảo hành, chỉ cần giữ cho thiết bị sạch sẽ. 

Nhược điểm của điều hướng laser: 

– Chi phí sản xuất cao và yêu cầu môi trường tương đối cao (ánh sáng bên ngoài, yêu cầu mặt đất, yêu cầu tầm nhìn, v.v.).

– Mỗi lần muốn thay đổi đường đi của AGV thì cần phải gọi kĩ sư của nhà sản xuất nên rất tốn kém. 

Nếu dự án lớn và có đường vận chuyển phức tạp thì AGV sử dụng điều hướng Laser rất hợp lí và hiệu quả cao. 

e) Điều hướng tự nhiên

Đây là điều hướng tự nhiên, cũng là một loại điều hướng laser. Nó cũng cảm nhận được môi trường xung quanh thông qua cảm biến laser. Sự khác biệt là dấu định vị của điều hướng laser (gương phản xạ) là một gương phản xạ hoặc cột phản chiếu, trong khi điều hướng tự nhiên có thể xác định vị trí đánh dấu. Thông tin như bức tường trong môi trường làm việc không cần phải dựa vào gương phản xạ. So với điều hướng laser truyền thống, chi phí xây dựng và chu kỳ điều hướng tự nhiên thấp hơn.

Điều hướng tự nhiên có thể dựa vào thông tin đường viền như tường để định vị, điều này có thể làm giảm hiệu quả sự phụ thuộc vào gương phản xạ và giảm chi phí xây dựng. Nhược điểm của điều hướng tự nhiên là sự phụ thuộc vào đường viền môi trường tương đối lớn và độ chính xác bị giảm khi thông tin đường viền trên đường lái xe thay đổi rất nhiều.

Thường sử dụng công nghệ SLAM hay LiDAR, tuy nhiên ở những  nơi liên tục di chuyển người, vật phẩm, hộp, pallet, v.v. thì AGV có thể không thể xác định được đang ở vị trí nào. 

Vì lý do này, SLAM hoặc Lidar là một giải pháp tuyệt vời cho AGV nơi bạn có cấu hình và môi trường được xác định rõ ràng với các cấu trúc cố định như tường và cột. Điều hướng tự nhiên có thể được sử dụng trong các nhà kho và bệnh viện, nói chung, trong bất kỳ môi trường nào có mức độ phức tạp thấp.

Ưu điểm  của điều hướng tự nhiên: 

– Đây là xu thế mới, 

–  Dễ dàng lắp đặt, chỉ cần để AGV xác định bản đồ kho hàng

– Linh hoạt, có thể dễ dàng sửa đường đi hoặc điều chỉnh AGV có sẵn

– Chi phí thấp, không tốn phí bảo trì. 

– Không tốn diện tích

Nhược điểm của điều hướng tự nhiên: 

– Hướng đi thay đổi do sự thay đổi một số thiết bị ở kho, bị ảnh hưởng nhiều bởi những thứ xung quanh. 

– Giá đắt

– Khả năng định vị kém

f) Điều hướng trực quan ( Visual Navigation )

Điều hướng trực quan là một phương pháp sử dụng camera thu thập hình ảnh xung khi AGV vận hành. Trên phần cứng yêu cầu cần có một camera và điều kiện môi trường đủ ánh sáng. Phương pháp này sử dụng máy ảnh để chụp môi trường xung quanh AGV để thực hiện ánh xạ tự động, sau đó so sánh thông tin thu được với thông tin đã được mã hóa trên bản đồ để định vị và điều khiển AGV di chuyển.

Ưu điểm của điều hướng trực quan: chi phí phần cứng thấp hơn và định vị chính xác.

Nhược điểm của điều hướng trực quan: Thuật toán phức tạp, yêu cầu cao đối với môi trường sử dụng, thời gian xây dựng bản đồ số lớn hơn rất nhiều so với khi số hóa bàn đồ bằng phương pháp điều hướng laser.

g) Định vị toàn cầu

Điều hướng GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) là một phương pháp để có được điều hướng bằng cách sử dụng cảm biến GPS của xe để có được thông tin vị trí và tiêu đề. Độ chính xác điều hướng của điều hướng GPS thấp và lỗi vị trí là khoảng 10 mét. Điều hướng GPS chủ yếu được sử dụng trong định vị ô tô, tàu, điện thoại di động, v.v. và được sử dụng ít hơn trong định vị AGV trong nhà với yêu cầu độ chính xác cao hơn.

h) Điều hướng quán tính

Điều hướng quán tính sử dụng các cảm biến bên trong của robot di động để có được tư thế. Có bộ mã hóa quang học, con quay hồi chuyển hoặc cả hai. Robot di động được trang bị bộ mã hóa quang điện trên bánh xe của robot di động. Trong quá trình di chuyển, robot di động sử dụng tín hiệu xung của bộ mã hóa để thực hiện tính toán chết thô để xác định tư thế của robot di động. Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để có được tốc độ và gia tốc góc ba trục của robot di động, và thông tin tư thế có thể thu được bằng hoạt động tách rời, và có thể kết hợp hai phép tính toán chết. Chi phí điều hướng quán tính thấp và độ chính xác định vị cao trong một thời gian ngắn, nhưng lỗi sẽ tích lũy theo chuyển động cho đến khi mất. Do đó, nói chung, điều hướng quán tính sẽ được sử dụng làm định vị phụ trợ cho các phương pháp điều hướng khác.

i) Điều hướng tổng hợp

Điều hướng hỗn hợp đề cập đến một phương pháp áp dụng hai hoặc nhiều phương pháp hướng dẫn (hoặc điều hướng) để đạt được vận hành xe có hướng dẫn tự động. Ví dụ: sự kết hợp giữa điều hướng mã hai chiều và điều hướng quán tính sử dụng độ chính xác định vị tầm ngắn điều hướng quán tính để sử dụng điều hướng quán tính của vùng mù điều hướng giữa hai mã hai chiều. Sự kết hợp giữa điều hướng laser và điều hướng móng từ tính sử dụng điều hướng móng từ tính ở vị trí của trạm với độ chính xác định vị cao, làm tăng tính ổn định của định vị AGV. Điều hướng tổng hợp là làm cho AGV thích ứng với các phương thức điều hướng phổ biến trong các tình huống sử dụng khác nhau và nó sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong các AGV khác nhau.

Xe tự hành AGV hiện tại của Phenikaa-X sử dụng 02 loại điều hướng chính đó là điều hướng tự nhiên (SLAM) và điều hướng line từ. Để biết thêm thông tin chi tiết vui lòng liên hệ 0869 185 044 (Ms.Thuý)

Chia sẻ bài viết tại :