2. AMR基础
自主移动机器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）是指能够在没有人工直接操控的情况下，依靠自身传感器、控制器和执行机构，在动态环境中完成定位、建图、路径规划与运动执行的移动机器人。与依赖磁条、二维码、反光板等固定外部标记的自动导引车（AGV）不同，AMR 的核心特征是“自主性”：它通过激光雷达、深度相机、IMU、轮式里程计等传感器实时感知环境，并在本地或边缘端完成决策。理解 AMR 的定义、分类、运动学模型与底盘类型，是后续安全避障与传感器集成设计的逻辑起点，因为避障策略的可行边界，往往由底盘的运动能力和传感器的安装约束共同决定。
一、AMR 的分类维度
AMR 的分类方式多样，但从安全避障角度看，最有价值的分类维度是“运动自由度”和“承载方式”。按运动自由度可分为差速驱动、阿克曼转向、全向移动和麦克纳姆轮四类；按承载方式可分为顶升式、牵引式、叉车式、传送带式和复合式。不同分类直接决定了机器人在狭窄通道中的避障动作：差速驱动可以原地旋转，但横向避让能力弱；全向底盘可以侧移，但轮系复杂、成本高；叉车式 AMR 因货叉伸出，其安全包络远大于车体本身。
二、运动学模型：避障的“能力边界”
运动学模型描述机器人位姿（x, y, θ）与控制输入（线速度 v、角速度 ω）之间的关系。以最常见的差速驱动为例，其运动学方程为：
dx/dt = v * cos(θ)
dy/dt = v * sin(θ)
dθ/dt = ω
约束：v = (v_r + v_l) / 2
ω = (v_r - v_l) / L
其中 v_r、v_l 为左右轮线速度，L 为轮距。该模型说明：差速机器人不能瞬时横向移动，其最小转弯半径为零但需要时间完成姿态调整。在避障中，这意味着“看到障碍后侧向闪避”不可行，必须提前规划减速、绕行或原地转向。相反，麦克纳姆轮底盘的运动学模型包含横向分量，可在不改变车头朝向的情况下平移，适合高密度货架间的避障。安全避障算法（如 DWA、TEB）在采样速度空间时，必须把运动学约束作为硬边界，否则规划出的轨迹机器人根本无法执行。
核心关系：运动学模型决定“能怎么动”，传感器布局决定“能看哪里”，安全避障算法只能在两者交集内寻找可行解。
三、常见底盘类型与安全避障的对应关系
底盘是运动学模型的物理载体，也是传感器安装的基础平台。下表梳理了四种常见底盘在避障中的典型特征：
| 底盘类型 | 运动能力 | 避障优势 | 避障局限 | 典型传感器配置 |
|---|---|---|---|---|
| 差速驱动 | 前进、后退、原地旋转 | 结构简单、成本低、转弯灵活 | 无法横向平移，侧向盲区大 | 单线激光雷达 + 防撞条 |
| 阿克曼转向 | 类汽车运动，最小转弯半径大 | 高速稳定，适合室外 | 低速避障笨拙，倒车风险高 | 3D 激光雷达 + 毫米波雷达 |
| 全向轮/麦克纳姆轮 | 任意方向平移与旋转 | 狭窄空间避让能力强 | 轮系磨损快，里程计易漂移 | 多线激光雷达 + 深度相机 |
| 叉车式 | 前进、后退、货叉升降 | 承载大，适合托盘搬运 | 货叉伸出形成动态安全包络 | 激光雷达 + 货叉区域光幕 |
四、从底盘到避障：一个仓储场景的复盘
某仓储项目采用差速驱动顶升式 AMR，车体宽 600 mm，通道宽 1200 mm。初期仅在前方安装单线激光雷达，扫描平面高度 150 mm。运行中发现：当托盘边缘低于 150 mm 时，激光雷达无法识别，机器人顶升时与托盘发生碰撞。复盘结论是：传感器安装高度必须覆盖底盘最低碰撞风险面，而差速底盘的侧向盲区需要增加防撞条或侧向超声波作为补充。改进后，在车体四角增加接触式防撞条，并在前下方增加深度相机，碰撞率下降 90%。
常见误区：认为“装了激光雷达就能安全避障”。实际上，激光雷达只能扫描一个平面，对于悬空货架、低矮托盘、玻璃幕墙等目标存在漏检。底盘类型决定了盲区位置，必须用多传感器融合补齐。
五、传感器集成与底盘运动学的协同设计
安全避障不是算法单独能解决的问题，而是“底盘 + 传感器 + 算法”的系统工程。设计流程建议如下：
- 确定底盘运动学模型，明确速度、加速度、转弯半径等约束。
- 根据车体尺寸和运动包络，识别前向、侧向、后向盲区。
- 按盲区分布选择传感器类型与安装位置，确保覆盖所有碰撞风险面。
- 将传感器视场与运动学约束共同输入避障算法，生成可行速度指令。
- 通过现场测试验证最小安全距离和制动距离，迭代调整参数。
下图展示了差速驱动 AMR 的运动学约束、传感器覆盖与安全避障决策之间的信号链关系：
该图表明：底盘运动学限定了速度采样空间，传感器覆盖决定了环境感知的完整性，两者共同约束避障算法的输出。任何一方的缺失都会导致安全漏洞。例如，差速底盘侧向盲区若没有防撞条或超声波补盲，侧向碰撞风险将无法通过算法消除。
六、小结与设计检查清单
- 明确 AMR 的自主性定义，区分其与 AGV 的固定路径依赖。
- 根据运动学模型判断机器人能否执行横向避让、原地旋转等动作。
- 底盘类型决定传感器安装位置和盲区分布，必须逐面覆盖。
- 避障算法必须在运动学约束内采样，不能规划不可执行轨迹。
- 安全包络应包含车体、货叉、托盘等所有运动部件。
- 现场测试需验证最小安全距离、制动距离和传感器视场盲区。
只有把底盘、运动学、传感器和避障算法作为整体来设计，AMR 才能在动态环境中既高效又安全地运行。