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TRIZ方法在提高AGV导航系统可靠性中的应用 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） 摘要：借助于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导航系统方案：在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；在不需要转弯的地点，采用电磁导航的方式导航，惯性导航方式处于备用状态；在需要转弯的地点，采用惯性导航的方式导航，电磁导航方式处于备用状态；在离散位置校准点，使用地标的位置信息来修正自身的实际位置信息。 关键词：；导航；检测；可靠性 ：G424：50243 *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：） ： 前言 （）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，户外或半户外技术将逐步完善和进入应用阶段。户外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。导致传统位置、转向控制组件无法根据目标设定位置与检测位置的偏差来引导的自动行走，以使其最终达到目标设定位置。 借助于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。 简介 是俄文（）的缩写，意为“发明问题解决理论”，是由前苏联的专利调查员于年提出，经过前苏联的大学、研究所和企业数百人花费个人年的时间，在分析研究了世界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。 如图所示，解决问题的过程就是先将本领域问题转化为问题模型，再针对问题模型利用中间工具找到解决方案模型，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。 问题的确定及分析 图所示为传统导航系统工作原理图。其原理是先由位置、方位角检测组件（例如图像摄像组件）给位置、方位角计算组件提供原始检测数据，然后由位置、方位角计算组件计算出实际的位置、方位角，最后由位置、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：雨影响传统检测组件例如图像摄像组件对位置及方向角检测的精度和可靠性。雪影响传统检测组件例如图像摄像组件对位置及方向角检测的精度和可靠性。冰雹影响传统检测组件例如图像摄像组件对位置及方向角检测的精度和可靠性。雾影响传统检测组件例如图像摄像组件对位置及方向角检测的精度和可靠性。灰尘影响传统检测组件例如图像摄像组件对位置及方向角检测的精度和可靠性。导致位置、转向控制组件无法根据目标设定位置与检测位置的偏差来引导的自动行走，以使其最终达到目标设定位置。 下文借助于知识库和创新原理的实际运用，就传统的导航系统经常由于位置、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，以期实现导航系统：有效引导的自动行走；有效、及时检测的位置、方向角；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。 问题的解决 基于知识库查询解决问题 借助工具及知识库、专利库，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“如何提高导航的可靠性”，通过互联网进入的“技术创新知识库查询系统”，输入查询语句“”，通过查询解决方案，阅读后选择可利用的参考方案如图所示。 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：在的前方和两侧安装雷达系统作为非接触式避碰检测装置来预防与其他物体的直接相撞事故（见图4）。 运用创新原理得到解决方案 理论创始人阿奇舒勒通过对大量专利的研究、分析、总结，提炼出了条创新原理，定义了个通用工程参数组成的近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位置感知组件检测精度和可靠性的影响” 通常，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。利用矛盾矩阵（见图）查找得到局部质量创新原理（见图）。 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位置感知组件检测精度和可靠性的影响。 子方案：选择在离散的全局位置校准点安置地标组件作为离散的定位点。 方案描述：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）在小车每个行驶车道的两旁每隔米安装一个内含标签的地标立柱，标签内存储了该地标的位置坐标信息；小车上安装标签信息读取器，当小车经过某个标签地标立柱时，将其位置坐标信息读取出来作为小车的实际位置值；地标对小车实际位置的定位精度为，每个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：用速度编码器组件来计算直线行走时的局部位置。 方案描述：当直线行走时，可以对速度编码器组件提供的连续速度信号进行积分来得到在两个相邻的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：使用速度编码器组件和陀螺仪组件来检测和计算转向时的局部位置。 方案描述：要获得转向时的局部位置坐标，不仅需要实时移动的距离，还需要实时移动的方向，速度编码器只能提供实时移动的距离，本文选取陀螺仪组件作为检测方向角的组件（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。利用矛盾矩阵查找同样得到了如图所示的创新原理。 根据图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的直线导航和转向导航功能。 子方案：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，即在直线路径的中间埋入电线，再使用电磁导航方式使沿着预埋的电线行走，达到可靠控制直线行驶方向的目的。 子方案：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：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；电磁导航组件和惯性导航组件，两者互为备用；在不需要转弯的地点，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，并依靠地标来修正自身的实际位置信息（见图），当直线行走时，可以对速度编码器组件提供的连续速度进行积分来得到在两个相邻的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。最后用地标和该局部位置点坐标相叠加来确定直线行走时的实际位置；在需要转弯的地点，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，并依靠地标来修正自身的位置信息（见图），要获得转向时的局部位置坐标，不仅需要实时移动的距离，还需要实时移动的方向，车载编码器组件和陀螺仪组件分别对实时移动的距离和当前方位角进行测量，位置坐标计算组件可据此计算出转向时的局部位置点坐标；最后用地标和该局部位置点坐标相叠加来确定转向行走时的实际位置。 结语 针对装置和导航系统上出现的技术难题，借助于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导航系统方案： （）在的前方和两侧安装雷达系统作为非接触式避碰检测装置来预防与其他物体的直接相撞事故。 （）在小车每个行驶车道的两旁每隔米安装一个地标立柱，地标对车辆的定位精度为左右，每个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。 （）在小车行驶车道的中间埋设电磁导航用电线。 （）在小车上安装陀螺仪和速度编码器，其中陀螺仪用于测量小车行驶的方位角度，速度编码器用于测量小车行驶的速度。 （）在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。 （）在不需要转弯的地点，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，并依靠地标来修正自身的实际位置信息。 （）在需要转弯的地点，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，并依靠地标