AGVs: sistemas de navegación

En las propias siglas de AGV, automatic guided vehicle o vehículo de guiado automático, uno los términos es precisamente la palabra "guiado". Una de las razones de ser de los AGV ha sido el desarrollo de sistemas de guiado o navegación capaces de conducir de forma autónoma estos vehículos.

En este artículo vamos a repasar los principales sistemas de navegación para AGV que existen en el mercado, viendo los pros y contras de cada uno, y también sus áreas de aplicación ideales.

¿Listo para navegar?

Navegación en vehículos autónomos

Cuando hablamos de "navegación" de AGVs, ¿a qué nos estamos refiriendo?

Para que un robot o vehículo pueda considerarse autónomo, debe ser capaz de ir de un punto A a un punto B sin ayuda ni intervención humana. Ésto es posible gracias al sistema de navegación integrado, que le permite desplazarse por el entorno siguiendo una trayectoria y evitando los obstáculos que va encontrando.

Como podrás imaginar, sistemas de navegación hay muchos y variados, antes de entrar en detalle con los más representativos, veamos una forma sencilla de clasificarlos.

Tipos de Sistemas

Un AGV se desplaza siguiendo una trayectoria, atendiendo a cómo se crea ésta, tenemos una primera clasificación de sistemas de navegación:

• Fijos: la trayectoria está establecida de antemano y el AGV se encarga de recorrerla, sin salirse de ella. Por ejemplo, guiado por cinta magnética.
• Libres: es el propio AGV el que decide en tiempo real su trayectoria. Por ejemplo, sistemas SLAM.

Una segunda clasificación viene por la forma en que el AGV calcula su posición actual, algo necesario para saber dónde está y cuánto se ha desplazado por la trayectoria:

• Absolutos: el vehículo sabe en todo momento la posición en el entorno que ocupa. Por ejemplo, los sistemas láser.
• Relativos: el vehículo no sabe en todo momento su ubicación en el entorno, calcula su posición actual a partir de una posición anterior. Por ejemplo, en sistemas odométricos.

Cada tipo de sistema tiene unos pros y contras, con áreas o entornos de aplicación ideales. Vamos a ver con detalle los principales sistemas de navegación que se utilizan en los AGV.

Cinta Magnética

• Tipo de sistema: fijo, relativo.

El AGV dispone de un lector magnético integrado en la parte inferior delantera, éste detecta mínimas fluctuaciones del campo magnético creado por una cinta embutida o colocada sobre el suelo. Este dispositivo y otros sensores (giro de ruedas, escáneres de seguridad, etc.) se conectan a una unidad de control, capaz de guiar con precisión al vehículo y realizar maniobras realmente complejas.

El vehículo recorre un circuito diseñado previamente, que conecta estaciones de producción de materiales con otras donde se consumen.

Imágen propiedad de Roboteq

La cinta magnética se complementa con tarjetas RFID, colocadas al lado de ella y que el AGV lee al mismo tiempo. Con ellas el vehículo ejecuta paradas, cambios de trayectoria o consultas al servidor central para recibir órdenes, lo que permite establecer áreas de cruce, tomar caminos diferentes dependiendo del estado del circuito o la carga de las estaciones, hacer paradas para cargar batería, etc. Las posibilidades son muy amplias.

En la ilustración inferior vemos un AGV guiado por cinta magnética de perfil bajo, diseñado para introducirse bajo carros de transporte. Los engancha mediante un pin retráctil y los traslada a diferentes ubicaciones del almacén, transportando materiales con ellos.

Pros

• Es un sistema de navegación muy fiable y preciso, muy probado en el sector.
• Es un sistema robusto y duradero, ya que la cinta se protege mediante resina epoxi en superficie o se embute en un canal en el suelo, evitando su degradación por el paso de vehículos.
• Los AGV son más económicos al no necesitar de complicados y costosos sensores y sistemas de reconocimiento del entorno.
• Se consigue una buena cadencia y velocidad, sobretodo si en el circuito no se cruzan otros vehículos o personas que paren los AGV.
• El paso de los AGV es predecible pues nunca se salen de su trayectoria.
• Son capaces de transportar o arrastrar cargas elevadas.
• Son sistemas ideales para el arrastre de convoyes de varios carros de transporte, pues el vehículo siempre recorre de la misma manera el circuito, haciendo más sencillo prever su paso y cómo tomarán las curvas y giros.

Contras

• El AGV debe permanecer siempre sobre la cinta, si se colocara fuera de ella, se pararía al no saber qué camino seguir.
  
• Como consecuencia del punto anterior, los obstáculos que se sitúan en el circuito de cinta magnética bloquean al vehículo hasta que se retiran.
• Los giros y maniobras necesitan de cierto espacio, aunque los vehículos son capaces de hacer movimientos complejos.
• Si la cinta no se embute o se protege convenientemente, el paso de otra maquinaria puede degradarla y provocar un corte.
• Cualquier modificación física del circuito implica extender cinta magnética nueva, una operación que puede ser costosa dependiendo de la cantidad y tipo de cinta nueva a instalar.

Entornos Ideales

• Circuitos fijos en el tiempo, sin modificaciones cada poco tiempo que exijan "tirar" cinta nueva, tanto de exterior como de interior.
• Instalaciones donde existan pocos "obstáculos" que puedan interferir en el paso del AGV.
• Circuitos donde el número de AGVs sea muy elevado, de forma que se rentabilice el coste fijo de la instalación de la cinta, por el gran número de vehículos a instalar (más económicos que otros sistemas de navegación).
• Transporte de convoyes de carros.
• Instalaciones de trabajo en frío, donde los sistemas ópticos o por láser pueden sufrir por la generación de humedad en sus cámaras o cristales.

Visión Óptica

• Tipo de sistema: fijo, relativo.

Los sistemas de navegación para AGVs basados en visión óptica usan cámaras o sensores para adquirir características del entorno y tomar decisiones.

Imagen propiedad de Sick

Existen muchos subtipos de sistemas ópticos, como por ejemplo:

• AGVs con reconocimiento de códigos QR: éstos se disponen en el suelo, en puntos de referencia fijados de antemano con gran precisión, de forma que una vez que el AGV lee uno de ellos, sabe dónde está y cuánto debe desplazarse y en qué trayectoria hacerlo, para llegar al siguiente.
• AGVs con guiado óptico a en el suelo: de forma muy parecida al sistema de cinta magnética, pero esta vez consiste en una franja pintada de un color que contrasta con el resto del firme.
• AGVs con cámaras 3D: capaces de proporcionar una imagen del entorno circundante en tiempo real, con valores de distancia, intensidad y umbral de confianza. Gracias a ella el AGV puede detectar obstáculos o reconocer puntos de referencias de un mapa precargado, lo que le permite navegar.

En su mayoría, todos estos sistemas suelen combinar la información óptica, con un sistema inercial u odométrico, que mide el desplazamiento y trayectoria del vehículo, para poder continuar la navegación en los momentos en que no se puede obtener un punto de referencia.

En la ilustración inferior vemos a un AGV con navegación por cámaras ayudando a un operario en labores de picking. El AGV se desplazaría siguiendo al trabajador por el almacén, haciendo de soporte a los bultos que necesita recoger. Una vez completo el pedido, el operario enviaría al vehículo a la zona de descarga sin acompañarlo, y esperaría a un nuevo AGV vacío para confeccionar otro pedido.

Pros

• Un posicionamiento preciso en los vehículos equipados con sistema odométrico.
• Un movimiento muy flexible, no limitado a un circuito fijo.
• Es muy sencillo cambiar rutas.
• La instalación es menos invasiva que en el caso de la cinta magnética.
• El vehículo puede ser muy compacto.
• Pueden seguir al operario.

Contras

• El sistema es más caro que el de cinta magnética, pues combina varios sensores que deben detectar puntos de referencia y después navegar a ciegas con precisión entre ellos.
• En los modelos con cámaras 3D necesitamos de una fase de escaneado del entorno, determinación de puntos de referencia y aprendizaje del AGV para reconocerlos.
• La suciedad puede interferir en la lectura de etiquetas o la guía pintada en el suelo.
• La instalación de códigos QR necesita de un mantenimiento regular, con un resinado protector.
• En entornos con cambios bruscos de temperatura o bajo cero, sufren condensación en las lentes.
• En exteriores los sistemas de navegación por detección de franja pueden tener problemas con el contraste debido a la luz solar.
• Al poder seguir múltiples trayectorias, a las personas les da menos seguridad que los predecibles AGV que siguen un circuito en el suelo.
  

Entornos Ideales

• Circuitos de interior con mucha variabilidad temporal.
• Instalaciones angostas, con poco espacio para vehículos más voluminosos.
• Circuitos con múltiples destinos y trayectorias. Por ejemplo un almacén para e-commerce, con frecuentes cambios de trayectoria y mucho tráfico de otros AGV.

Láser

• Tipo de sistema: libre, absoluto.

Los AGV con sistema de navegación láser, también llamados LGV (Laser Guided Vehicle), son vehículos que utilizan un dispositivo, en forma de torreta giratoria, que emite miles de haces de luz por segundo. Éstos rebotan en pequeños reflectores (catadriópticos) situados en paredes o postes y sus reflejos son capturados por un receptor del sistema. Se calcula el tiempo que ha tardado el rayo en ir y venir, lo que permite conocer la distancia al reflector. Al detectar 3 o más de ellos, puede calcularse su posición mediante triangulación, comparándola con un mapa de las instalaciones ya almacenado en memoria.

Es un sistema muy fiable y de gran precisión, que dota a los equipos de gran flexibilidad, pues los cambios de trayectorias se realizan mediante programación en el software de gestión, sin necesidad de modificar el entorno de trabajo. Mientras el AGV disponga de los suficientes reflectores a la vista, el vehículo sabe con precisión su ubicación, con un refresco de hasta 50 veces por segundo.

Para el almacenamiento del mapa inicial, los reflectores se colocan en la instalación y mediante un teodolito se hace un escaneo de los mismos para establecer su ubicación exacta. Cuanta mayor precisión se requiera, mayor número de reflectores tendrá que colocarse. Por término medio, se instala un reflector cada 15 m. Se suelen utilizar las aristas de columnas de la propia instalación, paredes, esquinas, etc. En un almacén de tamaño medio de 3 km cuadrados, puede llevar 2 semanas realizarla.

En la ilustración inferior vemos a un AGV con guiado láser de tipo forklift. Gracias a sus horquillas puede levantar palés y transportarlos desde las estanterías del almacén hasta los puntos de descarga o a la inversa.

Pros

• Es un sistema de navegación fiable y preciso (1 mm de desviación).
• La instalación de los reflectores es poco invasiva, ya que llevan un adhesivo integrado.
• Es un sistema duradero y con poco mantenimiento, ya que los reflectores se colocan en alto y no se degradan por el paso de vehículos o personas.
• Es muy sencillo cambiar la trayectoria del vehículo, pues se orienta por igual en toda la instalación.
• Los vehículos pueden seguir varias trayectorias si es necesario esquivando obstáculos.
• Son capaces de transportar o arrastrar cargas elevadas.

Contras

• El coste del AGV es considerablemente más elevado.
• No es aconsejado en equipos compactos, donde el emisor está a ras de suelo y es complicado obtener puntos para realizar la triangularización.
  
• Al poder seguir múltiples trayectorias, a las personas les da menos seguridad que los predecibles AGV que siguen un circuito en el suelo.
  
• Realizar la instalación de los reflectores y el escaneo inicial lleva tiempo, si el almacén es grande y complicado, incluso varios meses.
• Por su tamaño, los giros y maniobras necesitan de cierto espacio.
• Si el AGV no ve al menos 3 reflectores para calcular su posición, se quedará parado sin poder continuar.
• Trabajar en entornos de frío es complicado, los cambios de temperatura y humedad provocan falsas detecciones al empañar los cristales del láser.
  

Entornos Ideales

• Circuitos de interior o exterior con múltiples destinos y trayectorias.
• Almacenamiento de palés en estanterías con modelos con horquillas.
• Circuitos con cadencia baja o media, donde el número de AGVs necesario no sea muy elevado, ya que los vehículos láser son costosos.
  

SLAM

• Tipo de sistema: libre, absoluto.

Proviene de las siglas inglesas Simultaneous Localization And Mapping, mapeo y localización simultáneos. Se trata de una técnica de navegación libre también llamada natural, pues permite a un AGV construir un mapa del entorno y al mismo tiempo navegar por él, gracias a la información que captan sus sensores en tiempo real.

Aunque en este sistema también puede utilizarse un láser para la detección del entorno, la principal diferencia con los vehículos LGV a secas, es que en SLAM no es necesario instalar reflectores ni realizar un mapeado inicial de los mismos. El vehículo dispone de un mapa precargado, con una serie de puntos de referencia que es capaz de identificar con lo que "ve".

El secreto de la navegación SLAM es el uso de complejos algoritmos de reconocimiento del entorno y posicionamiento en el mismo, unidos a una batería de sensores que pueden ir desde un láser avanzado, llamado LIDAR, que permite obtener una imagen o nube de puntos del entorno que rodea al AGV, hasta cámaras estéreo y sistemas odométricos. Todo para que el vehículo sea completamente autónomo.

Existen multitud de implementaciones, desde las tareas más clásicas de transporte de materiales de punto a punto, como vehículos de ayuda al trabajador, que le siguen en su tarea diaria ayudándole en tareas de recolección de material y transporte a otro punto de la instalación.

Pros

• No es necesaria una instalación inicial compleja. Sólo hay que dar al vehículo algunos puntos de referencia por donde debe pasar.
• Su movimiento muy flexible, es muy sencillo cambiar rutas.
  
• No existe mantenimiento de la instalación, no hay elementos físicos de referencia.
• El vehículo puede ser de gran tamaño para el transporte de cargas elevadas o muy compacto, para labores de picking.
• Los vehículos pueden seguir varias trayectorias si es necesario esquivando obstáculos.

Contras

• Es un sistema de navegación caro, seguramente el más costoso de todos. En implementaciones que necesitan mucha cadencia y número de AGVs puede ser un hándicap muy serio.
• La tecnología es más "reciente" y no está tan desarrollada como otros sistemas.
• La precisión es menor, los algoritmos juegan con un grado de aproximación.
• Trabajar en entornos de frío es complicado, los cambios de temperatura y humedad provocan falsas detecciones al empañar los cristales del láser o las cámaras.
  
• Al poder seguir múltiples trayectorias, a las personas les da menos seguridad que los predecibles AGV que siguen un circuito en el suelo.
  

Entornos Ideales

• Circuitos de interior o exterior con múltiples destinos y trayectorias.
• Tareas de ayuda y acompañamiento al operario como picking.
• Circuitos con cadencia baja o media, donde el número de AGVs necesario no sea muy elevado, ya que los vehículos son costosos.

¿Qué sistema elijo para mi instalación?

Pues como seguro estarás pensando, no existe una respuesta fácil, hay que considerar muchos factores:

• Coste económico: qué inversión es necesaria, cómo se amortiza, qué rentabilidad tiene.
• Cadencia necesaria: cuántos AGV necesito para proporcionar una cadencia de material adecuada.
• Tipo de almacén: cómo es físicamente mi almacén. ¿Hay obstáculos móviles? ¿Los pasillos son angostos? ¿Almaceno en alturas?
• Uso en exterior/interior: los vehículos circulan por el interior, por exterior, o ambos.
• Trayectorias: fijas o múltiples.

Seleccionar un tipo de AGV como verás no es cuestión baladí y se necesita mucha experiencia. En CLEM disponemos de un equipo de especialistas que te ayudarán a plantear un estudio del sistema óptimo y encontrar el tipo de AGV que encaje perfectamente en tu instalación:

Autor

José Luis Martínez es responsable de sistemas informáticos en CLEM.