AGV 搬运机器人常用传感器原理及其优缺点、应用介绍

一.光達

（1） 揭秘LiDAR如何即時鎖定高速目標！

LiDAR是一種透過發射雷射光束來探測目標訊息的感測器系統。其核心原理是：向目標發射雷射並接收反射訊號，透過計算雷射往返時間確定目標距離；同時設備高速旋轉進行360度掃描，採集密集的點雲資料（物體表面座標的集合），即時建立環境的2D/3D數位模型。本系統可精確測量目標的位置、速度、形狀等多項參數，廣泛應用於自動駕駛、測繪等領域。

1.點雲資料是雷射雷達掃描範圍內偵測到的所有物體表麵點的集合。每個點包含兩種核心訊息：

① 反射率特性

  值範圍：0-255

  漫反射物：0-150（對應反射率0%-100%）

  反射物體：151-255（例如金屬，玻璃）

  Note: When the object is <2m away from the Mid-360 radar, the reflectivity error is large, and only the total reflection/diffuse reflection type can be judged.

② 空間座標

  座標系類型：笛卡爾座標（x，y，z）或球面座標（r，θ，φ）。

  偵測有效時：輸出真實座標值。

  偵測無效時（無物件/超範圍> 100m）：

笛卡爾座標：（0,0,0）

球坐標：（0，θ，φ）（保留當前掃描角度資訊）

2. 光達依線數分類，可分為單線光達及多線光達。單線雷射雷達是指雷射光源發出的光束是單線的雷達，取得的是以2D平面掃描地圖的方式；多線雷射雷達是指同時發射和接收多束雷射的旋轉測距雷達，目前市面上有4線、8線、16線、32線、64線、以及128線點數。多線雷射雷達可以識別物體的高度信息，並獲得周圍環境的3D掃描。圖中顯示了 2D 和 3D 點雲的可視化。

（2）為什麼導航總是猜測你想走哪條路？

雷射導航是AGV系統中常用的導航方式。 AGV根據其導航原理，可以在導航區域內自由行走，並精確定位；在導航範圍內，可以根據實際需要隨時改變車輛的行駛路徑，可以充分發揮AGV的靈活性，提高生產效率。許多系統需要在現有的場地條件下進行，這將特別適合雷射導航AGV系統。

1.雷射導航的核心原理可以概括為兩個主要原理：

① 地圖建構（初次學習環境）

  當 AGV 首次啟動時，它會使用 LiDAR 從各個方向掃描周圍環境，就像「用雷射筆掃描房間」一樣。

  它使用 SLAM 技術（自主定位+地圖建構），記錄牆壁和設備等固定物體的位置，以創建環境的數位地圖。

②即時定位（導航時定位）

  在AGV行駛過程中，LiDAR不斷掃描並即時取得周圍環境的「快照」點雲。

  將即時數據與儲存的地圖進行比較（類似「找不同遊戲」），演算法計算出AGV目前的精確位置和方向。

2.雷射導航特性：

高精度定位導航，適合堆疊取放貨物等對精度要求嚴格的場景；環境適應性強，複雜場景具備一定兼容性，可以應對光照變化、地面輕微不平整等乾擾，但需避免強光直射激光雷達，影響測距精度；沒有固定路徑的限制，與磁力導航或二維碼導航不同，雷射導航不需要預先埋設磁條或鋪設標籤，透過軟體可以自由修改路徑；高智慧化和可擴展性，支援多車協同，透過中央調度系統共享地圖和即時位置信息，實現多台AGV協同作業，如交叉路徑避讓、任務分配等。

與其他導航方式對比如表：

（3）AI秒躲避障礙物的條件反射是如何練成的？

1.雷射避障原理

透過雷射雷達即時掃描產生環境點雲數據，首先透過智慧演算法將相鄰點雲聚合成障礙物簇，區分靜態物體（位置不變）和動態物體（位置變化，軌跡可預測）；同時，結合多台雷達數據的同時掃描，統一以車身為中心分析周圍環境，將車身外部的所有點雲標記為障礙物，即時規劃安全路徑，規避危險。

2.避障型

單線雷射雷達（如SICK TIM系列）：成本較低，用於平面2D避障。

多線雷射雷達（例如 Livox Mid360、Velodyne VLP-16）：3D 避障，檢測空間高度資訊，以防止低矮或懸垂的物體。

3.避障雷達安裝位置

主要針對前/後主避障、車身兩側側向防護、頂部全局監控等，如圖所示。車輛前後雷達一般安裝在車身四個角，雷達前方向外傾斜。車身兩側的側面防護一般被四個角落的雷達掃描範圍所覆蓋。全球頂尖的監控系統一般都會同時使用導航雷達進行避障。

以雷達正前方為0度，覆蓋車身邊緣的範圍為正負135度，但由於車身幹擾，需濾除靠近車身的部分，因此FOV範圍一般設定為正負120度。岔路口之間一般只偵測單線，無角度避障。

4. 360度空間環繞避障

 需要根據2D和3D雷達的安裝位置來確保掃描範圍能夠全面覆蓋車身周圍一圈。

以mid360的3D雷達為例，需要知道它的座標定義和最大覆蓋的掃描範圍，如圖所示。

預設方案為：前導航雷達下方垂直或向上傾斜安裝1個3d雷達，車身兩側垂直或向上傾斜安裝1個3d雷達，車身後方側貨叉下方垂直或向上傾斜安裝1個3d雷達，貨叉間採用光電IO進行避障。

5. 技術優勢與局限性

優點：精度高：毫米級的測距精度，遠高於超音波或紅外線。抗干擾：不受環境光、灰塵、電磁場的影響（與視覺感測器相比）。響應速度快：掃描頻率通常為10Hz~50Hz，適合高速AGV（≥1.5m/s）。

（4）搬運機器人的雷射導航

1.雷射感知原理概論：

透過三維雷達取得點雲資料後，先濾除灰塵、玻璃反光等乾擾訊息，然後透過智慧演算法擷取貨架邊緣、牆角、托盤叉孔等關鍵結構特徵，最終將目標物體精確地映射到座標系中，輸出位置和姿態資訊並建構具有語義的局部環境地圖，從而實現「看得見物體，讀得懂場景」的智慧感知。 “智能感知。”

2. 托盤識別與定位

3. 貨叉校準

4. 自動堆疊

5. 技術優勢與局限性

優點：精度高：雷射測距精度可達±1mm，滿足工業級托盤作業需求。抗環境光幹擾：與視覺解決方案相比，雷射不受光線變化的影響。即時性強：掃描頻率10Hz~50Hz，適合高速物流場景。

限制：成本高：LiDAR 的價格明顯高於超音波，尤其是多線雷達。特殊材質的影響：黑色吸光物體或鏡面反射物體可能會降低偵測可靠性。運算複雜度：即時點雲處理需要較高的運算能力（需要嵌入式GPU或專用處理器）

二.相機

（1）ToF 如何利用光波實現毫米級“空間測量”

飛行時間（ToF）是三大主流3D影像技術之一（另外兩種是結構光和雙眼立體視覺）。其原理是透過發射近紅外光，並計算光的往返時間來直接獲取物體的距離資訊（深度）。相較於其他技術，ToF具有運算簡單、抗干擾強、可遠距離測量等優勢，因此廣泛應用於手機後置相機（如華為/OPPO/蘋果）、工業自動化、AGV導航、機器人抓取等領域。

1. dtof

dToF（直接飛行時間測距）由三個核心組件組成：

① VCSEL：發射奈秒雷射脈衝；

② SPAD（單光子雪崩二極體）：偵測單光子等級的反射光訊號；

③ TDC（時間數位轉換器）：精確記錄光脈衝的往返時間。

其工作原理為：在單一影格內發射和接收N個脈衝，記錄每次通過TDC的飛行時間並產生直方圖，取最高頻率時間t計算深度（d=ct/2）。該技術透過統計優化顯著提高了抗干擾能力，實現了高精度深度測量。

雖然dToF的原理看似很簡單，但要達到很高的精準度卻很困難。除了對時脈同步的精度要求非常高之外，對脈衝訊號的精度也有很高的要求。普通光電二極體很難滿足這樣的要求。 dToF中的核心零件SPAD由於生產流程複雜，能夠生產的廠商不多，而且整合難度較大。因此，目前研究dToF的廠商不多，更多的是在研究和推廣iToF。

2. itof

iToF概念和dToF相對應，全名為indirect Time-of-Flight，直接翻譯過來就是間接光飛行時間。間接的意思是，iToF 透過測量相移來間接測量光的飛行時間，而不是直接測量光的飛行時間。 iToF將調變後的紅外光訊號發射到場景中，然後感測器接收從場景中待測物體反射回來的光訊號，再根據曝光（積分）時間內累積的電荷計算發射訊號和接收訊號的相位差，從而得到目標物體的深度。物體的深度。如圖所示。

iToF模組的核心部件由VCSEL和影像感測器組成。 VCSEL 以特定頻率發射調製紅外光。影像感測器接收反射光並在曝光（積分）時間內進行光電轉換。在曝光（積分）結束時，資料被讀出並透過類比數位轉換器傳遞到計算單元，計算每個像素的相移。 iToF 使用 4 採樣桶演算法計算深度，該演算法利用相位延遲分別為 0°、90°、180° 和 270° 的 4 個樣本來計算深度。如圖所示。

3.深度圖生成

雙眼立體視覺利用左右相機同步拍攝物體，利用視差（物體在影像中的位置差異）運算深度，類似人眼的距離感知；而ToF相機則直接記錄每個像素的飛行時間距離值，產生高解析度的深度圖（例如640×480），並結合RGB相機建構出彩色的3D點雲，這兩項技術都是3D環境建模的核心技術。

視差原理示意圖深度圖計算公式：

無論是較大的基線距離還是較大的焦距，在相同視差下都會產生更深的深度，這意味著更好的深度精度。焦距是相機鏡頭和影像感測器之間的距離。焦距越大，視野越窄。因此，為了獲得遠距離深度感知，您可以增加基線距離和/或減少 FOV。

（2）ToF相機在AGV領域的應用

1.避障與安全防護

動態避障：即時偵測5m範圍內的障礙物（如人、堆高機、貨架），觸發減速或緊急停止。多層安全區域（例如，1m外警告，0.3m內緊急停止）。低障礙物偵測：偵測地面上的托盤、貨箱等，防止AGV發生碰撞或擠壓。

2. 托盤識別和叉取

托盤定位：透過深度圖辨識托盤的叉孔位置，精準度±3mm，適應不同的托盤類型（木質、塑膠、金屬）。自動取叉：結合AGV運動控制，調整叉臂位置，確保準確插入。

ToF相機對黑色托盤的偵測結果如下圖所示，depth為深度圖，RGB為顏色圖，PointCloud為點雲數據，原始點雲經過感知演算法處理，最終輸出的是托盤相對於車身中心的二維位置。

堆碼偵測：測量貨物高度，確保多層堆碼的穩定性。

體積測量：計算包裹尺寸（長 x 寬 x 高），以便物流分類。

（3）ToF相機的技術優勢

三.其他感測器

（1）超音波感測器

1.原理：發射40kHz-200kHz超音波脈衝，接收反射訊號計算距離。

2.應用：

  AGV避障/到位偵測：典型光束角度15°~30°（距離覆蓋廣，精度較低）；

  透明物體檢測（玻璃/丙烯酸）；

  多台設備需防止串擾，且有盲點（5-20cm）需紅外線/雷射互補。

3.優點：

  抗光/塵/霧幹擾，適應工業複雜環境；

  成本極低（每台10~100美元），壽命長（>100,000次）；

  非接觸且無磨損。

4.缺點：

  精度較低（±1~5cm，受溫濕度影響），需多感測器融合；

  動態響應慢（50~100ms），不適用於高速場景（>1.5m/s）；

  多徑反射幹擾，依賴演算法（如RANSAC），過濾噪聲

（2）慣性測量單元（IMU）

1.原理：

  它由陀螺儀（測量角速度）和加速度計（測量線性加速度）組成，並具有部分整合的磁力計以協助航向校準；

  透過姿態解算和濾波演算法（例如卡爾曼濾波）輸出歐拉角。

2.應用：

  AGV導航：融合編碼器數據，補償航向漂移，提升定位精度；

  動態姿態控制：即時監控貨叉俯仰/橫滾角度，調整貨物姿態；

  無基礎設施定位：在隧道、室內等無GPS場景下自主導航。

3.優點：

  完全自主，不依賴外部訊號（GPS/反射器）；

  高頻更新（高達1kHz），即時；

  耐光/塵/電磁幹擾（磁力儀除外）。

4.缺點：

  累積誤差：陀螺儀漂移需要多感測器（視覺/里程計）融合校正；

  校準依賴性：啟動時需進行零偏靜態校準，定期維護；

  初始對準：啟動時需要水平靜態或已知姿態初始化

（3）拉線編碼器

1.原理：機械傳動與編碼器結合測量位移：拉線（鋼絲/纖維）隨物體移動、伸縮，帶動內部編碼器旋轉，將位移轉換成電訊號（公式：位移=編碼器解析度x脈衝數x輪週長）

2.應用領域：包括AGV貨叉精度控制（±1mm精度）、坡道車體調平以及貨櫃吊具校準等；

3.優點：超高精度（±0.01mm）、抗干擾（防塵/電磁）、長行程（可達50m）、安裝靈活；

4.缺點：機械磨損需要定期維護，高速運動容易抖動（>1m/s），僅支援單向測量；多自由度需要多個設備的組合

（4）光電距離感測器

1.原理：發射紅外光，偵測反射強度；距離越近，反射訊號越強（沒有精確的距離值，只有閾值判斷）。

2.應用：一般用於簡單的避障或到位檢測。

3.優點：成本非常低。非接觸測量：避免機械磨損，壽命長。高速響應：毫秒級檢測。抗電磁幹擾：適合工業複雜環境。

4.缺點：受物體顏色、表面材質影響較大。光學幹擾：強光、鏡面反射、透明物體都會影響精準度。測距範圍限制，一般測距極限值比雷射低得多

總結

本綜合指南探討了尖端感測器技術如何增強 AGV（自動導引車）的智慧和靈活性。

這些技術共同構成了智慧、反應迅速且高度自動化的物料處理解決方案的感測基礎。

身為智慧物流解決方案領域的企業，艾騰機器人始終聚焦「智慧工廠」場景，深度融合技術創新與產業需求，已為全球200多家製造業客戶提供全方位服務：依托全系列搬運機器人產品矩陣覆蓋多樣化技術搬運場景、自研產業級智慧調度系統實現多設備高效協同、自研產業級智慧調度系統實現多設備高效協同作用。我們已為全球200多家製造業客戶提供全方位服務：依托全系列搬運機器人涵蓋多樣化搬運場景、自主研發的產業級智慧調度系統實現多設備高效協同、以及涵蓋售前規劃、部署實施到運維優化的全生命週期服務體系，幫助企業實現物流智能化轉型，持續賦能製造業數位升級與發展高品質。