AGV關鍵技術現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

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摘要：AGV是自動導引小車（Automated Guided Vehicle）的英文縮寫，是自動化物流系統(tǒng)中的關鍵設備之一。本文簡單闡述了AGV的定義、基本結構及典型部件，對AGV的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀進行了概述，并分析介紹了國內(nèi)外AGV的兩種發(fā)展模式，對AGV系統(tǒng)與關鍵技術及發(fā)展概況進行了較為詳細地分析和綜述。

關鍵詞：AGV；發(fā)展；關鍵技術

 

  • AGV的定義

AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自動導引小車，它是一種以電池為動力，裝有非接觸導向裝置和獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動化搬運車輛。它的主要特征表現(xiàn)為具有小車編程、停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能，并能在計算機的監(jiān)控下，按指令自主駕駛，自動沿著規(guī)定的導引路徑行駛，到達指定地點，完成一系列作業(yè)任務。其系統(tǒng)技術和產(chǎn)品已經(jīng)成為柔性生產(chǎn)線、柔性裝配線、倉儲物流自動化系統(tǒng)的重要設備和技術[1]。

 

  • AGV的基本結構及典型部件

AGV的基本結構如圖2-1所示，典型部件如圖2-2所示。

 

圖2-1 AGV的基本結構

 

圖2-2 AGV的典型部件

  • 車體：由車架和相應的機械裝置所組成，是AGV的基礎部分，是其他總成部件的安裝基礎。
  • 蓄電和充電裝置：AGV常采用24V和48V直流蓄電池為動力。蓄電池供電一般應保持連續(xù)工作8小時以上的需要。
  • 驅動裝置：由車輪、減速器、制動器、驅動電機及速度控制器等部分組成，是控制AGV正常運行的裝置。其運行指令由計算機或人工控制齊發(fā)出，運行速度、方向、制動的調(diào)節(jié)分別由計算機控制。為了安全，在斷電時制動裝置能靠機械實現(xiàn)制動。
  • 導向裝置：接受導引系統(tǒng)的方向信息，通過轉向裝置來實現(xiàn)轉向動作。
  • 車上控制器：接受控制中心的指令并執(zhí)行相應的指令，同時將本身的狀態(tài)（如位置、速度等）及時反饋給控制中心。
  • 通信裝置：實現(xiàn)AGV與地面控制站及地面監(jiān)控設備之間的信息交換。
  • 安全保護裝置：包括對AGV本身的保護、對人或其他設備的保護等方面。
  • 移載裝置：與所搬運貨物直接接觸，實現(xiàn)貨物轉載的裝置。
  • 信息傳輸與處理裝置：對AGV進行監(jiān)控，監(jiān)控AGV所處的地面狀態(tài)，并與地面控制站實時進行信息傳遞。

 

  • AGV的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
  1. AGV在國外的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

世界上第一臺AGV是由美國Barrett電子公司于20世紀50年代初開發(fā)成功的，它是一種牽引式小車系統(tǒng)，可十分方便地與其他物流系統(tǒng)自動連接，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，極大提高了裝卸搬運的自動化程度。1954年英國最早研制了電磁感應導向的AGV，由于它的顯著特點，迅速得到了應用和推廣。到了70年代中期，由于微處理器及計算機技術的普及，伺服驅動技術的成熟促進了復雜控制器的改進，并設計出更為靈活的AGV。

20世紀80年代末，國外的AGV達到發(fā)展的成熟階段，此時美國的AGV生產(chǎn)廠商從1983年的23家劇增至1985年的74家。1984年，美國通用汽車公司完成了它的第一個柔性裝配系統(tǒng)(FAS),從此該公司就成為當時AGV的最大用戶。1986年已達1407臺(包括牽引式小車、叉車和單兀裝卸小車)，1987年又新增加1662臺。美國各公司在歐洲技術的基礎上將AGV發(fā)展到更為先進的水平，他們采用更先進的計算機控制系統(tǒng)，運輸量更大，移載時間更短，小車和控制器的可靠性更高。

目前，全世界AGVS保有量在16000套以上，AGV在10萬臺以上。

 

  1. AGV在國內(nèi)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

我國AGV發(fā)展歷程較短，但一直以來不斷加大在這一領域的投入，以改變我國AGV長期依賴進口的局面。北京起重運輸機械研究所、清華大學、中國郵政科學院郵政科學研究規(guī)劃院、中國科學院沈陽自動化所、大連組合機床研究所、國防科技大學和華東工學院都在進行不同類型的AGV的研制并小批投入生產(chǎn)。

1976年，北京起重機械研究所研制出第一臺AGV，建成第一套AGV滾珠加工演示系統(tǒng)，隨后又研制出單向運行載重500公斤的AGV，雙向運行載重500kg、1000kg、2000kg的AGV，開發(fā)研制了幾套較簡單的AGV應用系統(tǒng)。

1988年，原郵電部北京郵政科學技術研究所研制了郵政樞紐AGV。

1991年起，中科院沈陽自動化研究所/新松機器人自動化股份研究公司為沈陽金杯汽車廠研制生產(chǎn)了客車6臺AGV用于汽車裝配線中，可以說是汽車工業(yè)中用得比較成功的例子，并于1996年獲國家科學技術進步三等獎。

1992年，天津理工學院研制了核電站用光學導引AGV。

1995年，我國的AGV技術出口韓國，標志著我國自主研發(fā)的機器人技術第一次走向了國際市場。

目前國內(nèi)的AGV保有量應該在1000臺左右，大約有60%是國內(nèi)的AGV廠家提供的，40%是國外廠家提供的[2]。

 

  • 國內(nèi)外AGV的兩種發(fā)展模式

第一種是以歐美國家為代表的全自動AGV技術，這類技術追求AGV的自動化，幾乎完全不需要人工的干預，路徑規(guī)劃和生產(chǎn)流程復雜多變，能夠運用在幾乎所有的搬運場合。這些AGV功能完善，技術先進；同時為了能夠采用模塊化設計，降低設計成本，提高批量生產(chǎn)的標準，歐美的AGV放棄了對外觀造型的追求，采用大部件組裝的形式進行生產(chǎn)；系列產(chǎn)品的覆蓋面廣：各種驅動模式，各種導引方式，各種移載機構應有盡有，系列產(chǎn)品的載重量可從50kg到60000kg（60噸）。盡管如此，由于技術和功能的限制，此類AGV的銷售價格仍然居高不下。此類產(chǎn)品在國內(nèi)有為數(shù)不多的企業(yè)可以生產(chǎn)，技術水平與國際水平相當。

第二種是以日本為代表的簡易型AGV技術－－或只能稱其為AGC（Automated Guided Cart），該技術追求的是簡單實用，極力讓用戶在最短的時間內(nèi)收回投資成本，這類AGV在日本和臺灣企業(yè)應用十分廣泛，從數(shù)量上看，日本生產(chǎn)的大多數(shù)AGV屬于此類產(chǎn)品（AGC）。該類產(chǎn)品完全結合簡單的生產(chǎn)應用場合（單一的路徑，固定的流程），AGC只是用來進行搬運，并不刻意強調(diào)AGC的自動裝卸功能，在導引方面，多數(shù)只采用簡易的磁帶導引方式。由于日本的基礎工業(yè)發(fā)達，AGC生產(chǎn)企業(yè)能夠為其配置上幾乎簡單得不能再簡單的功能器件，使AGC的成本幾乎降到了極限。這種AGC在日本80年代就得到了廣泛應用，2002到2003年達到應用的頂峰。由于該產(chǎn)品技術門檻較低，目前國內(nèi)已有多家企業(yè)可生產(chǎn)此類產(chǎn)品。

 

  • AGV的特點及類型
  1. AGV的特點

AGV有以下特點：自動化程度高、充電自動化、美觀、安全性、成本控制、易維護、可預測性、降低產(chǎn)品損傷、改善物流管理、較小的場地要求、靈活性、長距離運輸。

 

  1. AGV的類型
  • 按導引方式分：直接坐標導航方式、電磁導航方式、磁導航方式、激光導航方式、光學導航方式、慣性導航方式、圖象識別導航方式、GPS（全球定位系統(tǒng)）導航方式。
  • 按驅動方式分：單驅動、差速驅動、雙驅動、多輪驅動。
  • 按移載方式分：推挽式、輥道式、鏈式、帶式、牽引式、馱舉式、叉式、揀選式、龍門式、機器人式。
  • 按通訊方式分：有線通訊、紅外光通訊、無線電通訊、無線局域網(wǎng)。

 

  1. AGV的主要技術參數(shù)
  • 運載類別：托盤、集裝、容器、牽引等；
  • 承載質量：有效承載能力、牽引能力，重型、中型、輕型、微型；
  • 自重：包括蓄電池；
  • 移載方式：自動、半自動或手工裝卸，前移、后移、側移、推挽、舉升等，輥道、鏈式、叉式等；
  • 行走速度：前進、反向、轉彎、接近等速度；
  • 行走功能—主要有: 點對點功能, 包括一點對多點配給式、多點依序運送式、多點對一點匯集式、多點依序環(huán)路式、多點對多點擴散式；反向行走功能；橫向行走功能特別適于離線作業(yè)；轉彎、分線行走功能；斜行步進功能； 原地回轉功能；升降功能；專用作業(yè)功能如裝配作業(yè)、機械手等作業(yè)功能；
  • 驅動型式：三輪式、對偶三輪式、速差式、四輪式，行走、轉向、提升電機型式與功率，液壓型式與功率；
  • 行走精度：相對導向線路的左右偏差，轉彎時或分線時的左右偏差等；
  • 停位精度：各種工況的XYZ停位誤差；
  • 尺寸：靜態(tài)、動態(tài)、伸長、移載尺寸，輪距軸距，回轉最小半徑、地隙高度；
  • 導引方式：導引方式、導引器件型式(如激光掃描器、編碼器、攝像頭、磁釘?shù)?；
  • 通訊方式：有線、無線、紅外；
  • 控制系統(tǒng)：機上、地面控制系統(tǒng)的硬件、軟件，通用的型號、專用的年代版本等；
  • 安全裝置：車體正面、后面、側面、叉頭的各種聲、光、電、機械傳感器，開關、緩沖器、緊急停車按鈕、聲光報警，探測保護距離，探測保護距離隨速度、轉彎、接近、特殊工況、特殊路徑的自動調(diào)整，制動方式(減速電機，干式電磁制動等)、各種工況的制動距離等；
  • 蓄電池：功率、電池種類、組合狀態(tài)；
  • 充電方式：集中充電、快速充電等；
  • 工作噪聲；
  • 使用環(huán)境：對環(huán)境的要求；
  • 自重/載重：比值[3]。

 

  • AGV系統(tǒng)

AGV控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)及車載（下位）控制系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設備，主要負責任務分配，車輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負責AGV的導航計算，導引實現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能。系統(tǒng)硬件配置如圖6-1所示：

 

圖6-1 AGV系統(tǒng)硬件配置

 

  • AGV的關鍵技術及發(fā)展概況

曾有國外專家對AGV控制系統(tǒng)需解決的主要問題做了恰當?shù)谋扔鳎篧here am I?（我在哪里？）Where am I going?（我要去哪里？）How can I get there?（我怎么去？），這三個問題歸納起來分別就AGV控制系統(tǒng)中的三個主要技術：AGV的導航（Navigation），AGV的路徑規(guī)劃（Layout designing），AGV的導引控制（Guidance）。

 

  1. AGV的導航技術

AGV之所以能夠實現(xiàn)無人駕駛，導航和導引對其起到了至關重要的作用，隨著技術的發(fā)展，目前能夠用于AGV的導航/導引技術主要有以下幾種：

  • 直接坐標（Cartesian Guidance）

用定位塊將AGV的行駛區(qū)域分成若干坐標小區(qū)域，通過對小區(qū)域的計數(shù)實現(xiàn)導引，一般有光電式（將坐標小區(qū)域以兩種顏色劃分，通過光電器件計數(shù)）和電磁式（將坐標小區(qū)域以金屬塊或磁塊劃分，通過電磁感應器件計數(shù)）兩種形式，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)路徑的修改，導引的可靠性好，對環(huán)境無特別要求。缺點是地面測量安裝復雜，工作量大，導引精度和定位精度較低，且無法滿足復雜路徑的要求。

  • 電磁導引（Wire Guidance）

電磁導引是較為傳統(tǒng)的導引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV的行駛路徑上埋設金屬線，并在金屬線加載導引頻率，通過對導引頻率的識別來實現(xiàn)AGV的導引。其主要優(yōu)點是引線隱蔽，不易污染和破損，導引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無干擾，制造成本較低。缺點是路徑難以更改擴展，對復雜路徑的局限性大。

  • 磁帶導引（Magnetic Tape Guidance）

與電磁導引相近，用在路面上貼磁帶替代在地面下埋設金屬線，通過磁感應信號實現(xiàn)導引，其靈活性比較好，改變或擴充路徑較容易，磁帶鋪設簡單易行，但此導引方式易受環(huán)路周圍金屬物質的干擾，磁帶易受機械損傷，因此導引的可靠性受外界影響較大。

  • 光學導引（Optical Guidance）

在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對攝像機采入的色帶圖象信號進行簡單處理而實現(xiàn)導引，其靈活性比較好，地面路線設置簡單易行，但對色帶的污染和機械磨損十分敏感，對環(huán)境要求過高，導引可靠性較差，精度較低。

  • 激光導航（Laser Navigation）

激光導引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當前的位置和航向，并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導引。此項技術最大的優(yōu)點是AGV定位精確、地面無需其他定位設施、行駛路徑可靈活多變、能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進導引方式；缺點是制造成本高，對環(huán)境要求較相對苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）。

  • 慣性導航（Inertial Navigation）

慣性導航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號（角速率）的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和航向，從而實現(xiàn)導引。此項技術在軍方較早運用，其主要優(yōu)點是技術先進，較之有線導引，地面處理工作量小，路徑靈活性強。其缺點是制造成本較高，導引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號處理密切相關。

  • 視覺導航（Visual Navigation ）

對AGV行駛區(qū)域的環(huán)境進行圖象識別，實現(xiàn)智能行駛，這是一種具有巨大潛力的導引技術，此項技術已被少數(shù)國家的軍方采用，將其應用到AGV上還只停留在研究中，目前還未出現(xiàn)采用此類技術的實用型AGV?？梢韵胂螅瑘D象識別技術與激光導引技術相結合將會AGV更加完美，如導引的精確性和可靠性，行駛的安全性，智能化的記憶識別等都將更加完美。

  • GPS（全球定位系統(tǒng)）導航（Global Position System）

通過衛(wèi)星對非固定路面系統(tǒng)中的控制對象進行跟蹤和制導，目前此項技術還在發(fā)展和完善，通常用于室外遠距離的跟蹤和制導，其精度取決于衛(wèi)星在空中的固定精度和數(shù)量，以及控制對象周圍環(huán)境等因素。

對幾種常用的導引方式做簡單的比較如圖7-1所示[3]：

 

圖7-1 導引方式的比較和選擇

對國外十幾家AGV公司27個系列產(chǎn)品所采用的主要導向技術的統(tǒng)計結果顯示，電磁感應、慣性導航、光學檢測、位置設定、激光檢測、圖像識別所占比例分別為32.3%、27.8%、16.9%、13.8%、7.69%和1.54%。其中，電磁感應導向技術的應用比例最高，這表明該項技術已經(jīng)十分成熟。而機器視覺導向技術應用較少，說明該項技術還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導航技術仍然處在研究階段，還有許多技術問題需要解決。

 

  1. AGV 路徑規(guī)劃

隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應用和物流自動化運輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，AGV技術得到了快速發(fā)展。從一開始對單臺AGV的研究，發(fā)展到了對多AGV組成的物流系統(tǒng)的研究。而多AGV的路徑規(guī)劃作為直接影響多AGV系統(tǒng)整體性能的重要部分，一直倍受廣大學者的關注。隨著研究的深入，國內(nèi)外學者提出了很多計算模型和策略。韓國的Jung Hoon Lee等人將兩階段的交通控制策略[4]應用于多AGV的無碰規(guī)劃，劉國棟等提出了多AGV調(diào)度系統(tǒng)中的兩階段動態(tài)路徑規(guī)劃的方法[5]。兩階段控制策略離線生成路徑庫，減少了在線運算的負擔，但是隨著節(jié)點數(shù)的增多，動態(tài)規(guī)劃的負擔加重，不適用于大規(guī)模多AGV系統(tǒng)。其他如Petri網(wǎng)[6]，遺傳算法[7]，Tabu Search算法[8]（禁忌搜索算法）等策略和算法，在系統(tǒng)節(jié)點數(shù)增多的情況下，也有同樣的缺陷。為了有效地共享系統(tǒng)路徑，時間窗(Time-window)方法被提出并用于解決多AGV最優(yōu)路徑問題[9]。然而使用時間窗實現(xiàn)多AGV路徑規(guī)劃也是一個NP完全問題，并且在使用時間窗的模型中，獲得時間窗的AGV占用路徑時間過長，容易導致關鍵路段發(fā)生擁堵，降低系統(tǒng)效率。

  • 靜態(tài)環(huán)境中確定AGV 路徑規(guī)劃

AGV 路徑規(guī)劃在智能控制系統(tǒng)中具有重要作用， 對于保證工作的安全性來說具有重要意義。一直以來，很多學者都對此進行孜孜不倦的探索，這也是機器人學中最新最熱的內(nèi)容之一。主要研究的是在障礙物的環(huán)境下，機器人如何尋找到目標，也就是選擇合適的路徑規(guī)劃。智能控制下的AGV 路徑規(guī)劃較為重要的兩種形態(tài)，靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃以及動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。

靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃是假定在環(huán)境信息未被完全掌握的情況下，機器人是通過怎么樣的路徑感知環(huán)境，并且運用局部區(qū)域傳播算法。因此這種路徑一般會在環(huán)境中僅存在靜態(tài)已知障礙物的情況下被采用。但是要分析靜態(tài)環(huán)境中AGV 路徑規(guī)劃，需要解決的一個問題是在這種環(huán)境中什么樣的路徑才能夠被認為是合理的?？偠灾?，能夠使AGV 系統(tǒng)實現(xiàn)控制的就是合理路徑。合理的路徑由路徑的平滑程度決定，路徑越趨于平緩，則AGV 系統(tǒng)將會更容易實現(xiàn)。此時可以將路徑分為四個種類，第一類平滑程度非常低，表現(xiàn)為路徑的不連續(xù)性，此時很多存在位置會表現(xiàn)突變的特性， 這種情況下AGV 系統(tǒng)不容易被控制，因為這些曲線不連續(xù)，無法對其追蹤。第二類，這類曲線相對于第一種來說具有連續(xù)性，但是在切線方向有時也會發(fā)生突變現(xiàn)象。此時也不能夠被AGV 系統(tǒng)控制。第三類，這類曲線不僅具有連續(xù)性的特點， 而且還能在切線方向保持連續(xù)性，因此是較為合理的路徑規(guī)劃，一般情況下也常常被采用。第四類，將以上三類曲線的優(yōu)點都集于一身，但是要生產(chǎn)這類曲線十分復雜，因此在實踐當中，這類曲線很難被采用。

  • 動態(tài)環(huán)境中確定的路徑規(guī)劃

在動態(tài)復雜環(huán)境的中的路徑規(guī)劃不同于靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。因為環(huán)境變化之后，很多信息無法被掌握，要保證最優(yōu)性在這種情況下是無法被實現(xiàn)的。在進行路徑規(guī)劃時，應當在安全性以及時間性之間進行衡量。在較為復雜的環(huán)境下，不管決定適用何種性能指標，都必須要考慮目標吸引、動態(tài)安全性以及時間約束三個方面的內(nèi)容[10]。

 

  1. AGV的導引

AGV的導引（Guidance）是指根據(jù)AGV導航（Navigation）所得到的位置信息，按AGV的路徑所提供的目標值計算出AGV的實際控制命令值，即給出AGV的設定速度和轉向角，這是AGV控制技術的關鍵。簡單看來，AGV的導引控制就是AGV軌跡跟蹤。這對有線式的導引（電磁，磁帶等導引方式）不會有太多的問題，但對無線式的導引（激光，慣性等導引方式）卻不是一件容易的事。

 

圖7-2 AGV運行的路徑軌跡

AGV的路徑規(guī)劃是根據(jù)AGV運行的實際環(huán)境設計出AGV運行的路徑軌跡，AGV單機按照地面控制系統(tǒng)下發(fā)的段表中的路徑（段）屬性自動行駛。AGV的導引控制算法就是解決段表下發(fā)后AGV的參考點如何沿著既定軌跡行走，一般需要實現(xiàn)直線段和四次方曲線的導引控制。對于不同驅動方式的AGV來說，由于它的運動學模型不一樣，對應的導引控制算法也是不同的。這里簡單討論SD（Steer Driving）型AGV的導引算法：

我們的控制目標是AGV的參考點，目的是使AGV能很好地沿著既定軌跡行走。對SD型AGV來說，可以控制的只有AGV前輪的轉角和速度，通過運動模型可知：參考點的運行軌跡只和前輪的轉向角有關，所以，要實現(xiàn)對參考點軌跡跟蹤的控制，實際上就是對前輪轉向角的控制。

在具體的設計過程中，利用一種“追蹤導引方法”，即在AGV的運行過程中參考點始終追蹤著路徑軌跡上的虛擬點，這個虛擬點就像在賽狗時所用到的兔子，AGV永遠追不上，但又永遠在AGV前面不遠的地方；AGV前進的方向始終指向虛擬點，通過這樣周期性的調(diào)節(jié)，就可以使AGV以很小的誤差沿著路徑軌跡行走。

  • 總結

AGV系統(tǒng)是集光、機、電、計算機于一體的高新技術，是柔性化、智能化程度極高的輸送系統(tǒng)。AGV 技術仍在發(fā)展中,隨著現(xiàn)代高科技的進步,AGV 的性能與功能都將不斷得到提高。AGV系統(tǒng)由于自身的技術優(yōu)勢,將適合更為廣泛的工業(yè)或非工業(yè)需求,得到越來越廣泛的應用。