激光雷達：加速物流移動機器人智能化升級

2021-02-17 03:24:26任芳

物流技術與應用 2021年12期

文/ 本刊記者任芳

近幾年，隨著智慧物流的發(fā)展以及自動化、智能化、無人化需求的增加，以類Kiva為代表的移動機器人、無人叉車、AGV、無人物流車等得到廣泛應用。這些物流移動機器人之所以能夠實現(xiàn)自動化、無人化作業(yè)，其重要前提便是基于激光雷達技術的不斷發(fā)展。并且，物流移動機器人作業(yè)過程中如何保證自身的安全以及周邊環(huán)境中人與其他設備的安全，同樣離不開激光雷達。激光雷達如同這些設備的“眼睛”，為其安全高效地作業(yè)提供了保障。作為物流移動機器人的核心傳感器，激光雷達也隨之迎來了快速發(fā)展。

激光雷達（LiDAR / Laser Radar）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。激光雷達以其分辨率高，隱蔽性好、抗有源干擾能力強，低空探測性能好，體積小、質量輕等特點，廣泛應用于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS，Advanced Driving Assistance System）。激光雷達的工作原理是向目標發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發(fā)射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對目標進行探測、跟蹤和識別。

激光雷達的種類

簡單來說，激光雷達的基礎功能是測量和掃描，基于大面積的測量和掃描，可以實現(xiàn)一定范圍內的地圖構建與障礙物檢測從而進行安全避障等。近幾年，隨著激光雷達技術的不斷發(fā)展以及成本的大幅下降，激光雷達的應用領域日益廣泛，如智能物流、自動駕駛、車路協(xié)同等。

在物流領域，激光雷達主要應用于類Kiva機器人、AGV、無人叉車等物流移動機器人，起到導航與避障的作用。因此從功能上來看，激光雷達主要有兩大類。

1.導航型激光雷達

導航型激光雷達技術門檻相對較高，要求具有一定的精度及角分辨率（指成像系統(tǒng)或系統(tǒng)的一個部件的分辨能力），其主要作用是構建地圖，在物流移動機器人行走過程中通過實時掃描周圍環(huán)境，并與原來生成的地圖匹配確定物流移動機器人的位置，幫助機器人按照指定路徑行走。導航型雷達通常安裝位置較高，如安裝于叉車AGV等設備的頂部等，也具備一定的遠距離障礙物探測防撞功能，但由于安裝位置較高，避障功能有限。

鐳神智能3D SLAM無人叉車，具有360°三維感知能力，自主精準識別、對位棧板，多重安全防護預警等功能

2.避障型（安全防護型）激光雷達

通常安裝于物流移動機器人車身四周（如車頭兩側），通過與車體聯(lián)動，當探測到障礙物時，系統(tǒng)可以控制物流移動機器人減速或者停止，從而達到避障等安全防護的目的。此外，此類雷達也可以傾斜安裝在導航型雷達下面，其掃描探測區(qū)域可以形成斜切面，從而探測具有一定高度的物體。安全避障型雷達的技術門檻總體低于導航型雷達，但其對目標物的識別能力要求比較高。

鐳神智能相關負責人補充介紹稱，從具體產品類別上來看，又可以分為機械式激光雷達、混合固態(tài)激光雷達、純固態(tài)激光雷達等等，目前物流移動機器人領域的主流產品主要是機械式激光雷達和混合固態(tài)激光雷達。例如，通常安裝于車身四周的激光雷達主要有2D單線機械式激光雷達、多線機械式和混合固態(tài)激光雷達兩類，其中后兩者可以實現(xiàn)無人叉車、AGV、物流移動機器人的3D立體安全防護。

另據(jù)興頌機器人相關負責人表示，激光雷達搜集點云數(shù)據(jù)（包括點的距離和強度）后，還可以實現(xiàn)SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）導航。不過，由于激光雷達掃描光束受物體遮擋的原因，難以一次掃描獲取整個物體的三維點云數(shù)據(jù)，因此需要從不同的位置和角度對物體進行多次掃描。此外，機械式激光雷達還分為多線激光雷達和單線激光雷達，室內物流移動機器人多采用單線激光雷達，對于室外物流移動機器人，如無人物流車，以及不同廠區(qū)間的重型轉運AGV多采用多線激光雷達，并與GPS等設備配合使用，滿足不同場景需求。

歐鐳激光雷達解決方案

興頌機器人激光雷達

解決方案豐富

隨著物流移動機器人行業(yè)的快速發(fā)展，進入該領域的企業(yè)和解決方案也越來越豐富。從供應商來看，SICK、倍加福、基恩士、勞易測、Velodyne等國際知名品牌，以及科力、興頌機器人、鐳神智能、歐鐳激光等一大批快速成長的國內企業(yè)，均推出了豐富的產品及解決方案，助力該行業(yè)技術升級發(fā)展。

這一趨勢從近幾年的CeMAT ASIA展會上也得到凸顯，針對物流移動機器人的激光雷達產品展示越來越多。今年，SICK在AGV上展示的導航類傳感器、防撞類傳感器和其他檢測類傳感器三大類傳感器共有20多種產品，其中激光雷達產品包括具有安全防撞、精準導航等功能的nanoScan3安全激光掃描儀，以及可以實現(xiàn)大場景輪廓掃描的云平臺輪廓掃描系統(tǒng)以及安全防護解決方案等。

在CeMAT ASIA 2021上，勞易測也展示了SLAM導航及避障應用，利用激光雷達的高分辨率和高檢測距離，可有效地繪制出大范圍的場景地圖，并在AGV運行過程中進行實時地圖切換。據(jù)勞易測介紹，RSL激光雷達具有精準的重復測量精度，并對深色物體及高反光物體不敏感，同時在數(shù)據(jù)輸出方面可以對反光強度進行量化輸出。這樣的設計可使AGV設備在單一通道環(huán)境下也可以有效區(qū)分行進路線和狀態(tài)；本地化SLAM導航方案可以有效節(jié)約用戶的使用成本，并針對不同的應用場景采用單雷達定位及雙雷達數(shù)據(jù)耦合定位方式。

SICK在CeMAT ASIA 2021展會上展示的應用于AGV的激光雷達解決方案

激光雷達市場龍頭企業(yè)Velodyne也針對物流移動機器人領域的需求推出了眾多產品。據(jù)Velodyne亞太區(qū)執(zhí)行總監(jiān)翁煒介紹，如 Puck 激光雷達傳感器可以提供高能效和環(huán)繞視圖，它的外形緊湊，適用于短距離傳感，且成本較低，這些優(yōu)勢使其成為物流移動機器人應用方案的理想選擇。創(chuàng)新的固態(tài)激光雷達傳感器Velarray M1600，補盲固態(tài)激光雷達Velabit?，兼容性高，便于集成組裝，而且價格低廉，也可為工業(yè)環(huán)境中的移動機器人應用提供服務。其中，Velarray M1600采用Velodyne突破性的micro-lidar陣列架構（MLA），為安全導航提供出色的近場感知功能，可在各種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下支持室內物流移動機器人以及“最后一公里”配送機器人等在沒有人工干預的情況下自主、安全地運行。Velabit?解決了自動駕駛解決方案的成本、安全和設計挑戰(zhàn)，同時性能先進，可滿足Velodyne客戶對超寬視場（FoV）和更高分辨率的需求。

隨著近幾年物流移動機器人的快速發(fā)展，一大批激光雷達國產品牌也不斷成長，迅速壯大，推出了眾多高質量產品。

Velodyne Velarray M1600

Velodyne Velabit?

例如，隸屬于山東省科學院的科力是中國光電安全保護裝置技術領域的代表性企業(yè)，已經形成了LS2系列激光雷達、KLM型激光雷達、LSPDmini型安全激光掃描儀、LD系列單點激光雷達、LSE型激光雷達等較為全面的激光雷達產品系列。目前，科力已經與國內多家物流移動機器人企業(yè)形成了穩(wěn)定的合作。

鐳神智能作為國內激光雷達領軍企業(yè)，在智慧物流領域主要提供車規(guī)級1550nm/905nm混合固態(tài)激光雷達、多線和單線機械式激光雷達；并自研激光雷達專用芯片、1550nm光纖激光器及光纖器件、高精度慣性導航系統(tǒng)等；以及提供基于激光雷達的AGV&無人叉車、移動機器人、低速無人車等2D和3D智能化系統(tǒng)解決方案。公司代表性產品包括安裝于前向的CH128X1、LS27X遠距離和CH64W大視場補盲混合固態(tài)激光雷達；安裝于車頂，用于3D建模的3D SLAM CX系列機械式激光雷達；N和M系列2D導航激光雷達，W系列2D避障激光雷達等。

歐鐳激光的激光雷達產品主要包括2D激光雷達、3D激光雷達以及激光測距傳感器設備。其中，自主開發(fā)的2D激光雷達傳感器主要包括導航型LR-1FA、迷你LR-1BS2270°、迷你 LR-1BS3&5 270°三大產品系列，水平掃描角度有270°和360°兩個不同版本，可以滿足大部物流移動機器人在安全避障、近距離導航方面的需求。3D激光雷達LR-16F是由歐鐳激光開發(fā)的具有自有技術產權的小尺寸多通道激光雷達，具有360°（水平）和±15°（垂直）掃描角度，100米檢測范圍。

技術不斷升級國產品牌崛起

從以上豐富的產品和解決方案不難看出，激光雷達技術正不斷發(fā)展升級。

首先，性能大幅提升，無論測量精度、測量范圍、角度分辨率、點云密度、點云穩(wěn)定性、抗環(huán)境干擾能力等方面，均在不斷提高，這些也是綜合評價激光雷達產品優(yōu)劣和適用性的重要指標。例如，興頌機器人最新推出的HE系列320°TOF激光傳感器不僅體積小，還擁有最遠30米測量半徑，最小0.025°的角度分辨率，讓小型物流移動機器人可以獲得更加穩(wěn)定、真實的點云數(shù)據(jù)。

其次，成本大幅下降。據(jù)鐳神智能相關負責人表示，隨著激光雷達性能的持續(xù)提升，其價格也在不斷下降，特別是國內產品價格更是占據(jù)了較大優(yōu)勢?！氨热玷D神智能通過在激光雷達集成化技術上的突破，保證產品性能的同時，可以將成本降得很低。”他進一步舉例表示，鐳神智能通過使用16線或32線激光雷達替代價格昂貴的反光板雷達，可以快速完成大空間及復雜環(huán)境的3D SLAM建圖，為客戶提供從激光雷達單品到整體解決方案的靈活性選擇，且整體方案費用僅為原反光板雷達方案的1/3，甚至更低。

此外，行業(yè)對安全性的重視程度在不斷提高?！鞍踩窃S多物流公司的第一要務。激光雷達的需求增長，不僅集中在物流移動機器人本身，也包括機器人的運行環(huán)境。由于倉庫的照明條件普遍不夠理想，在光線不足的情況下，激光雷達比攝像頭更具有優(yōu)勢，可以保障倉庫安全，并且保護倉庫人員和貨物的隱私，提供定位和檢測能力?！蔽虩槺硎?，“激光雷達是服務于安全的科技產品，Velodyne設計激光雷達解決方案時，始終將安全放在首位?！?/p>

面對物流移動機器人行業(yè)旺盛的需求，國內外企業(yè)均在努力拓展市場。國內企業(yè)不斷突破“卡脖子”技術，實現(xiàn)技術上的升級，如鐳神智能表示已經具備自研自產激光雷達芯片的能力；國外品牌除了推出更高性價比的產品以外，在本地化服務方面也在進一步努力。但總的來看，由于國外產品價格偏高，貨期較長，服務響應不夠及時等因素，國產企業(yè)增勢更為明顯，特別是在避障型激光雷達這一品類，市場占比越來越高。以興頌機器人為例，據(jù)相關負責人介紹，公司近幾年大都保持在20%～30%的穩(wěn)定增長，2021年激光雷達銷量將達到上萬套。