赵云涛 黄杏往 王胜勇 卢家斌
（中冶南方（武汉）自动化有限公司 湖北 武汉 ４３０２２３）
摘 要：借助于ＴＲＩＺ知识库和创新原理的实际运用，得出了一种适合户外工业场合应用的ＡＧＶ导航系统方案：①在ＡＧＶ内内置电磁导航和惯性导航两种导航方式，两者互为备用，根据需要随时切换；②在不需要转弯的地点，ＡＧＶ采用电磁导航的方式导航，惯性导航方式处于备用状态；③在需要转弯的地点，ＡＧＶ采用惯性导航的方式导航，电磁导航方式处于备用状态；④在离散位置校准点，ＡＧＶ使用ＲＦＩＤ地标的位置信息来修正自身的实际位置信息。
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关键词 ：ＴＲＩＺ ；ＡＧＶ；导航；检测；可靠性
中图分类号：G424 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．02．０43
*基金项目：科技部创新方法工作专项“湖北省创新方法应用推广与示范”（项目编号：２０１３ＩＭ０２２１００）
收稿日期：２０１４－１２－２０
０ 前言
ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）自动导航车，是物料输送的典型高科技产品。它是一种在计算机和局域网控制下，经导航装置引导并沿程序预定路径自动运行，或牵引载货台至指定地点，进而实现物料自动装卸和搬运任务的无人驾驶输送设备。
随着需求的发展，户外或半户外ＡＧＶ技术将逐步完善和进入应用阶段。户外ＡＧＶ技术一直是应用的难点，主要受制于相对恶劣的自然条件，如：温度、湿度、阳光、雾、雨、雪等天气。导致传统ＡＧＶ位置、转向控制组件无法根据ＡＧＶ目标设定位置与检测位置的偏差来引导ＡＧＶ的自动行走，以使其最终达到目标设定位置。
借助于 ＴＲＩＺ知识库和创新原理的实际运用，笔者得到了针对此技术难题的解决方案。
１ ＴＲＩＺ简介
ＴＲＩＺ是俄文（ＴｅｏｒｉｊｚＲｅｚｈｅｎｉｊａ Ｉｚｏｂｒｅｔａｔｅｌ’ｓｋｉｃｈ Ｚａｄａｃｈ）的缩写，意为“发明问题解决理论”，是由前苏联的专利调查员Ｇｅｎｒｉｃｈ Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ于１９４６年提出，经过前苏联的大学、研究所和企业数百人花费１ ５００个人年的时间，在分析研究了世界２５０万件高水平专利的基础上，综合多个领域的原理、法则，提出的发明问题解决理论，经过半个多世纪的发展，已经成为指导人们解决发明问题的系统化方法学。是２０世纪最伟大的发明之一，是研究发明创造与克服技术创新难题过程中所遵循的科学原理和法则的方法，有“点金术”和“超级发明术”之称。
如图１所示，ＴＲＩＺ解决问题的过程就是先将本领域问题转化为ＴＲＩＺ问题模型，再针对问题模型利用ＴＲＩＺ中间工具找到ＴＲＩＺ解决方案模型，最后把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。创新原理、标准解、进化模式都是ＴＲＩＺ解决问题的工具，还有一个重要工具就是知识库。本文主要运用ＴＲＩＺ的两种创新工具得到问题的解决方案：基于知识库查询得到解决方案；利用创新原理得到解决方案。
２ 问题的确定及分析
图２所示为传统ＡＧＶ导航系统工作原理图。其原理是先由ＡＧＶ位置、方位角检测组件（例如图像摄像组件）给ＡＧＶ位置、方位角计算组件提供原始检测数据，然后由ＡＧＶ位置、方位角计算组件计算出ＡＧＶ实际的位置、方位角，最后由ＡＧＶ位置、转向控制组件根据目标设定位置与实际位置的偏差来引导ＡＧＶ的自动行走，使其最终达到目标设定位置。
由于户外以下原因：①雨影响传统检测组件例如图像摄像组件对ＡＧＶ位置及方向角检测的精度和可靠性。②雪影响传统检测组件例如图像摄像组件对ＡＧＶ位置及方向角检测的精度和可靠性。③冰雹影响传统检测组件例如图像摄像组件对ＡＧＶ位置及方向角检测的精度和可靠性。④雾影响传统检测组件例如图像摄像组件对ＡＧＶ位置及方向角检测的精度和可靠性。⑤灰尘影响传统检测组件例如图像摄像组件对ＡＧＶ位置及方向角检测的精度和可靠性。导致ＡＧＶ位置、转向控制组件无法根据ＡＧＶ目标设定位置与检测位置的偏差来引导ＡＧＶ的自动行走，以使其最终达到目标设定位置。
下文借助于 ＴＲＩＺ知识库和创新原理的实际运用，就传统的ＡＧＶ导航系统经常由于ＡＧＶ位置、方位检测组件例如图像摄像组件易受户外雨、雪等不良天气影响导致的检测组件检测精度和导航系统可靠性低的技术难题进行改进，以期实现ＡＧＶ导航系统：①有效引导ＡＧＶ的自动行走； ②有效、及时检测ＡＧＶ的位置、方向角；③适应户外例如港口等应用环境，有效抵抗雨、 雪、 冰雹、 雾、 灰尘天气的影响。
３ 问题的解决
３．１ 基于知识库查询解决问题
借助ＣＡＩ工具及知识库、专利库，ＴＲＩＺ能够快速查询到其他领域解决同类问题的解决方案作为参考，这种方法正是体现了ＴＲＩＺ的重要理念，即：借鉴其他领域已有的先进解决方案解决本领域的问题。
针对问题“如何提高ＡＧＶ导航的可靠性”，通过互联网进入ＴＲＩＺ 的“技术创新知识库查询系统”，输入查询语句“Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ”，通过查询解决方案，阅读后选择可利用的参考方案如图３所示。
参考扇形雷达波束探测经过的车辆方案，类比生成本文问题的解决方案：在ＡＧＶ的前方和两侧安装雷达系统作为ＡＧＶ非接触式避碰检测装置来预防ＡＧＶ与其他物体的直接相撞事故（见图4）。
３．２ 运用创新原理得到解决方案
ＴＲＩＺ理论创始人阿奇舒勒通过对大量专利的研究、分析、总结，提炼出了４０条创新原理，定义了３９个通用工程参数组成的近１ ５００对技术矛盾和物理矛盾，以及解决这些技术矛盾常用的创新原理。3.2.1 针对问题“如何消除不良天气对ＡＧＶ位置感知组件检测精度和可靠性的影响”
通常，ＡＧＶ位置感知组件对位置的定位为连续定位，连续的位置定位可以获得一段时间内的高精度和稳定性，但总误差会随着时间延长而积累，使系统在长时间工作时变得不可靠，因此考虑选用离散位置感知组件作为ＡＧＶ位置感知组件来消除随着工作时间延长而积累的检测误差。此方案改善了“运动物体的作用时间”， 但由于其只能在离散的时间点上起作用，因此同时恶化了离散的时间点之间的检测“稳定性”， 即产生了技术矛盾。利用ＴＲＩＺ矛盾矩阵（见图５）查找得到局部质量创新原理（见图６）。
创新原理描述： 离散的位置定位具有定位精度高，抗干扰性强的特点，但是其只能在离散的时间点上起作用；而连续的位置定位可以获得一定时间内的高精度，但误差会随着时间延长而积累。图６的局部质量创新原理“让物体的各部分处于执行各自功能的最佳状态”，可以把离散系统和连续系统同时整合到ＡＧＶ位置感知组件内，充分发挥他们各自的优势，弥补各自的不足，即联合采用下列具有不同功能的子方案来消除不良天气对ＡＧＶ位置感知组件检测精度和可靠性的影响。
子方案１：选择在ＡＧＶ离散的全局位置校准点安置ＲＦＩＤ地标组件作为离散的定位点。
方案描述：ＡＧＶ小车室外导航离散位置校准方案（满足一定的抗雨、雪、冰、雹、雾等异常天气）①在ＡＧＶ小车每个行驶车道的两旁每隔２米安装一个内含ＲＦＩＤ标签的地标立柱，ＲＦＩＤ标签内存储了该地标的位置坐标信息；②ＡＧＶ小车上安装ＲＦＩＤ标签信息读取器，当ＡＧＶ小车经过某个ＲＦＩＤ标签地标立柱时，将其位置坐标信息读取出来作为ＡＧＶ小车的实际位置值；③ＲＦＩＤ地标对ＡＧＶ小车实际位置的定位精度为３０ｍｍ，每个ＲＦＩＤ地标立柱可选择是否安装电辅热融冰、雪装置、吹扫除尘装置等（见图7）。
子方案２：用ＡＧＶ速度编码器组件来计算ＡＧＶ直线行走时的局部位置。
方案描述：当ＡＧＶ直线行走时，可以对ＡＧＶ速度编码器组件提供的连续速度信号进行积分来得到ＡＧＶ在两个相邻的ＲＦＩＤ全局位置地标之间行走时当前所处的准确局部位置点坐标（见图8）。
子方案３：使用ＡＧＶ速度编码器组件和陀螺仪组件来检测和计算ＡＧＶ转向时的局部位置。
方案描述： 要获得ＡＧＶ转向时的局部位置坐标，不仅需要ＡＧＶ实时移动的距离，还需要ＡＧＶ实时移动的方向，速度编码器只能提供ＡＧＶ实时移动的距离，本文选取陀螺仪组件作为检测ＡＧＶ方向角的组件（见图9）。
3.2.2 针对问题“如何消除位置控制组件对方向控制的稳定性有随时间增大而恶化的趋势”
经过对该问题进行初步分析，发现该问题存在一对此消彼长的技术矛盾，即“运动物体的作用时间”和控制系统“稳定性”这一对此消彼长的技术矛盾。利用ＴＲＩＺ矛盾矩阵查找同样得到了如图６所示的创新原理。
根据图６的局部质量创新原理“让物体的各部分处于执行各自功能的最佳状态”的提示，可以先将ＡＧＶ的导航分为直线导航和转向导航这两个局部部分，然后再分别使用功能可靠和理想的导航方式来实现ＡＧＶ的直线导航和转向导航功能。
子方案１：引入电磁导航方式替代传统的视觉导航方式的直线导航功能，即在ＡＧＶ直线路径的中间埋入电线，再使用电磁导航方式使ＡＧＶ沿着预埋的电线行走，达到可靠控制ＡＧＶ直线行驶方向的目的。
子方案２： 引入惯性导航方式替代传统的视觉导航方式的转向导航功能。
方案描述：①陀螺仪组件和速度编码器组件联合即可以构成一个惯性导航组件；②电磁导航组件和惯性导航组件，两者互为备用； ③在不需要转弯的地点，ＡＧＶ采用电磁导航的方式导航，惯性导航方式处于备用状态，此时ＡＧＶ依靠电磁导航来控制方向，依靠速度编码器来控制速度和计算自身的实际位置，并依靠ＲＦＩＤ地标来修正自身的实际位置信息（见图１０），当ＡＧＶ直线行走时，可以对ＡＧＶ速度编码器组件提供的连续速度进行积分来得到ＡＧＶ在两个相邻的ＲＦＩＤ全局位置地标之间行走时当前所处的准确局部位置点坐标。最后用ＲＦＩＤ地标和该局部位置点坐标相叠加来确定ＡＧＶ直线行走时的实际位置；④在需要转弯的地点，ＡＧＶ小车采用惯性导航的方式导航，电磁导航方式处于备用状态，此时ＡＧＶ依靠陀螺仪来控制方向，依靠速度编码器来控制速度，依靠陀螺仪提供的方向角和速度编码器提供的速度来计算自身的实际位置，并依靠ＲＦＩＤ地标来修正自身的位置信息（见图９），要获得ＡＧＶ转向时的局部位置坐标，不仅需要ＡＧＶ实时移动的距离，还需要ＡＧＶ实时移动的方向，ＡＧＶ车载编码器组件和陀螺仪组件分别对ＡＧＶ实时移动的距离和当前方位角进行测量，ＡＧＶ位置坐标计算组件可据此计算出ＡＧＶ转向时的局部位置点坐标；最后用ＲＦＩＤ地标和该局部位置点坐标相叠加来确定ＡＧＶ转向行走时的实际位置。
４ 结语
针对装置和导航系统上出现的技术难题，借助于 ＴＲＩＺ知识库和创新原理的实际运用，本文得出了以下适合户外工业场合应用的ＡＧＶ导航系统方案：
（１）在ＡＧＶ的前方和两侧安装雷达系统作为ＡＧＶ非接触式避碰检测装置来预防ＡＧＶ与其他物体的直接相撞事故。
（２）在ＡＧＶ小车每个行驶车道的两旁每隔２米安装一个ＲＦＩＤ地标立柱，ＲＦＩＤ地标对车辆的定位精度为３０ｍｍ左右，每个ＲＦＩＤ地标立柱可选择是否安装电辅热融冰、雪装置、吹扫除尘装置等。
（３）在ＡＧＶ小车行驶车道的中间埋设电磁导航用电线。
（４）在ＡＧＶ小车上安装陀螺仪和速度编码器，其中陀螺仪用于测量ＡＧＶ小车行驶的方位角度，速度编码器用于测量ＡＧＶ小车行驶的速度。
（５）在ＡＧＶ小车内内置电磁导航和惯性导航两种导航方式，两者互为备用，根据需要随时切换。
（６）在不需要转弯的地点，ＡＧＶ采用电磁导航的方式导航，惯性导航方式处于备用状态，此时ＡＧＶ依靠电磁导航来控制方向，依靠速度编码器来控制速度和计算自身的实际位置，并依靠ＲＦＩＤ地标来修正自身的实际位置信息。
（７）在需要转弯的地点，ＡＧＶ小车采用惯性导航的方式导航，电磁导航方式处于备用状态，此时ＡＧＶ依靠陀螺仪来控制方向，依靠速度编码器来控制速度，依靠陀螺仪提供的方向角和速度编码器提供的速度来计算自身的实际位置，并依靠ＲＦＩＤ地标来修正自身的位置信息。
上述方案可以有效抵抗雨、雪、冰、雹、雾等户外异常天气对ＡＧＶ导航系统的不良影响，代表了当代较为先进、可靠、柔性的工业ＡＧＶ户外导航技术。
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参考文献
１ 石宇强，吴双．ＴＲＩＺ理论在生产流程优化中的应用［Ｊ］．制造业自动化，２００９（４）
２ 赵新军．技术创新理论（ＴＲＩＺ）及应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４
３ 赵鹏睿，崔彦彬．ＴＲＩＺ理论技术冲突解决原理在汽车造型设计中的应用［Ｊ］．科技经济市场，２０１２（５）
（责任编辑 亢婷婷）
