AGV关键技术现状及其发展趋势

 

摘要：AGV是自动导引小车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写，是自动化物流系统中的关键设备之一。本文简单阐述了AGV的定义、基本结构及典型部件，对AGV的发展历史及其现状进行了概述，并分析介绍了国内外AGV的两种发展模式，对AGV系统与关键技术及发展概况进行了较为详细地分析和综述。

关键词：AGV；发展；关键技术

 

  • AGV的定义

AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自动导引小车，它是一种以电池为动力，装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程、停车选择装置、安全保护以及各种移载功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的导引路径行驶，到达指定地点，完成一系列作业任务。其系统技术和产品已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术[1]。

 

  • AGV的基本结构及典型部件

AGV的基本结构如图2-1所示，典型部件如图2-2所示。

 

图2-1 AGV的基本结构

 

图2-2 AGV的典型部件

  • 车体：由车架和相应的机械装置所组成，是AGV的基础部分，是其他总成部件的安装基础。
  • 蓄电和充电装置：AGV常采用24V和48V直流蓄电池为动力。蓄电池供电一般应保持连续工作8小时以上的需要。
  • 驱动装置：由车轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器等部分组成，是控制AGV正常运行的装置。其运行指令由计算机或人工控制齐发出，运行速度、方向、制动的调节分别由计算机控制。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。
  • 导向装置：接受导引系统的方向信息，通过转向装置来实现转向动作。
  • 车上控制器：接受控制中心的指令并执行相应的指令，同时将本身的状态（如位置、速度等）及时反馈给控制中心。
  • 通信装置：实现AGV与地面控制站及地面监控设备之间的信息交换。
  • 安全保护装置：包括对AGV本身的保护、对人或其他设备的保护等方面。
  • 移载装置：与所搬运货物直接接触，实现货物转载的装置。
  • 信息传输与处理装置：对AGV进行监控，监控AGV所处的地面状态，并与地面控制站实时进行信息传递。

 

  • AGV的发展历史及现状
  1. AGV在国外的发展历史及现状

世界上第一台AGV是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代初开发成功的，它是一种牵引式小车系统，可十分方便地与其他物流系统自动连接，显著地提高劳动生产率，极大提高了装卸搬运的自动化程度。1954年英国最早研制了电磁感应导向的AGV，由于它的显著特点，迅速得到了应用和推广。到了70年代中期，由于微处理器及计算机技术的普及，伺服驱动技术的成熟促进了复杂控制器的改进，并设计出更为灵活的AGV。

20世纪80年代末，国外的AGV达到发展的成熟阶段，此时美国的AGV生产厂商从1983年的23家剧增至1985年的74家。1984年，美国通用汽车公司完成了它的第一个柔性装配系统(FAS),从此该公司就成为当时AGV的最大用户。1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉车和单兀装卸小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平，他们采用更先进的计算机控制系统，运输量更大，移载时间更短，小车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10万台以上。

 

  1. AGV在国内的发展历史及现状

我国AGV发展历程较短，但一直以来不断加大在这一领域的投入，以改变我国AGV长期依赖进口的局面。北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的AGV的研制并小批投入生产。

1976年，北京起重机械研究所研制出第一台AGV，建成第一套AGV滚珠加工演示系统，随后又研制出单向运行载重500公斤的AGV，双向运行载重500kg、1000kg、2000kg的AGV，开发研制了几套较简单的AGV应用系统。

1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮政枢纽AGV。

1991年起，中科院沈阳自动化研究所/新松机器人自动化股份研究公司为沈阳金杯汽车厂研制生产了客车6台AGV用于汽车装配线中，可以说是汽车工业中用得比较成功的例子，并于1996年获国家科学技术进步三等奖。

1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。

1995年，我国的AGV技术出口韩国，标志着我国自主研发的机器人技术第一次走向了国际市场。

目前国内的AGV保有量应该在1000台左右，大约有60%是国内的AGV厂家提供的，40%是国外厂家提供的[2]。

 

  • 国内外AGV的两种发展模式

第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化，几乎完全不需要人工的干预，路径规划和生产流程复杂多变，能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善，技术先进；同时为了能够采用模块化设计，降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美的AGV放弃了对外观造型的追求，采用大部件组装的形式进行生产；系列产品的覆盖面广：各种驱动模式，各种导引方式，各种移载机构应有尽有，系列产品的载重量可从50kg到60000kg（60吨）。尽管如此，由于技术和功能的限制，此类AGV的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产，技术水平与国际水平相当。

第二种是以日本为代表的简易型AGV技术－－或只能称其为AGC（Automated Guided Cart），该技术追求的是简单实用，极力让用户在最短的时间内收回投资成本，这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛，从数量上看，日本生产的大多数AGV属于此类产品（AGC）。该类产品完全结合简单的生产应用场合（单一的路径，固定的流程），AGC只是用来进行搬运，并不刻意强调AGC的自动装卸功能，在导引方面，多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达，AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件，使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用，2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低，目前国内已有多家企业可生产此类产品。

 

  • AGV的特点及类型
  1. AGV的特点

AGV有以下特点：自动化程度高、充电自动化、美观、安全性、成本控制、易维护、可预测性、降低产品损伤、改善物流管理、较小的场地要求、灵活性、长距离运输。

 

  1. AGV的类型
  • 按导引方式分：直接坐标导航方式、电磁导航方式、磁导航方式、激光导航方式、光学导航方式、惯性导航方式、图象识别导航方式、GPS（全球定位系统）导航方式。
  • 按驱动方式分：单驱动、差速驱动、双驱动、多轮驱动。
  • 按移载方式分：推挽式、辊道式、链式、带式、牵引式、驮举式、叉式、拣选式、龙门式、机器人式。
  • 按通讯方式分：有线通讯、红外光通讯、无线电通讯、无线局域网。

 

  1. AGV的主要技术参数
  • 运载类别：托盘、集装、容器、牵引等；
  • 承载质量：有效承载能力、牵引能力，重型、中型、轻型、微型；
  • 自重：包括蓄电池；
  • 移载方式：自动、半自动或手工装卸，前移、后移、侧移、推挽、举升等，辊道、链式、叉式等；
  • 行走速度：前进、反向、转弯、接近等速度；
  • 行走功能—主要有: 点对点功能, 包括一点对多点配给式、多点依序运送式、多点对一点汇集式、多点依序环路式、多点对多点扩散式；反向行走功能；横向行走功能特别适于离线作业；转弯、分线行走功能；斜行步进功能； 原地回转功能；升降功能；专用作业功能如装配作业、机械手等作业功能；
  • 驱动型式：三轮式、对偶三轮式、速差式、四轮式，行走、转向、提升电机型式与功率，液压型式与功率；
  • 行走精度：相对导向线路的左右偏差，转弯时或分线时的左右偏差等；
  • 停位精度：各种工况的XYZ停位误差；
  • 尺寸：静态、动态、伸长、移载尺寸，轮距轴距，回转最小半径、地隙高度；
  • 导引方式：导引方式、导引器件型式(如激光扫描器、编码器、摄像头、磁钉等)；
  • 通讯方式：有线、无线、红外；
  • 控制系统：机上、地面控制系统的硬件、软件，通用的型号、专用的年代版本等；
  • 安全装置：车体正面、后面、侧面、叉头的各种声、光、电、机械传感器，开关、缓冲器、紧急停车按钮、声光报警，探测保护距离，探测保护距离随速度、转弯、接近、特殊工况、特殊路径的自动调整，制动方式(减速电机，干式电磁制动等)、各种工况的制动距离等；
  • 蓄电池：功率、电池种类、组合状态；
  • 充电方式：集中充电、快速充电等；
  • 工作噪声；
  • 使用环境：对环境的要求；
  • 自重/载重：比值[3]。

 

  • AGV系统

AGV控制系统分为地面（上位）控制系统及车载（下位）控制系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理，自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能。系统硬件配置如图6-1所示：

 

图6-1 AGV系统硬件配置

 

  • AGV的关键技术及发展概况

曾有国外专家对AGV控制系统需解决的主要问题做了恰当的比喻：Where am I?（我在哪里？）Where am I going?（我要去哪里？）How can I get there?（我怎么去？），这三个问题归纳起来分别就AGV控制系统中的三个主要技术：AGV的导航（Navigation），AGV的路径规划（Layout designing），AGV的导引控制（Guidance）。

 

  1. AGV的导航技术

AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，随着技术的发展，目前能够用于AGV的导航/导引技术主要有以下几种：

  • 直接坐标（Cartesian Guidance）

用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域，通过对小区域的计数实现导引，一般有光电式（将坐标小区域以两种颜色划分，通过光电器件计数）和电磁式（将坐标小区域以金属块或磁块划分，通过电磁感应器件计数）两种形式，其优点是可以实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无特别要求。缺点是地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。

  • 电磁导引（Wire Guidance）

电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。

  • 磁带导引（Magnetic Tape Guidance）

与电磁导引相近，用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行，但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。

  • 光学导引（Optical Guidance）

在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图象信号进行简单处理而实现导引，其灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。

  • 激光导航（Laser Navigation）

激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是AGV定位精确、地面无需其他定位设施、行驶路径可灵活多变、能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式；缺点是制造成本高，对环境要求较相对苛刻（外界光线，地面要求，能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）。

  • 惯性导航（Inertial Navigation）

惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向，从而实现导引。此项技术在军方较早运用，其主要优点是技术先进，较之有线导引，地面处理工作量小，路径灵活性强。其缺点是制造成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。

  • 视觉导航（Visual Navigation ）

对AGV行驶区域的环境进行图象识别，实现智能行驶，这是一种具有巨大潜力的导引技术，此项技术已被少数国家的军方采用，将其应用到AGV上还只停留在研究中，目前还未出现采用此类技术的实用型AGV。可以想象，图象识别技术与激光导引技术相结合将会AGV更加完美，如导引的精确性和可靠性，行驶的安全性，智能化的记忆识别等都将更加完美。

  • GPS（全球定位系统）导航（Global Position System）

通过卫星对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导，目前此项技术还在发展和完善，通常用于室外远距离的跟踪和制导，其精度取决于卫星在空中的固定精度和数量，以及控制对象周围环境等因素。

对几种常用的导引方式做简单的比较如图7-1所示[3]：

 

图7-1 导引方式的比较和选择

对国外十几家AGV公司27个系列产品所采用的主要导向技术的统计结果显示，电磁感应、惯性导航、光学检测、位置设定、激光检测、图像识别所占比例分别为32.3%、27.8%、16.9%、13.8%、7.69%和1.54%。其中，电磁感应导向技术的应用比例最高，这表明该项技术已经十分成熟。而机器视觉导向技术应用较少，说明该项技术还需要深入研究和不断完善。另外，自主导航技术仍然处在研究阶段，还有许多技术问题需要解决。

 

  1. AGV 路径规划

随着柔性制造系统的广泛应用和物流自动化运输系统的快速发展，AGV技术得到了快速发展。从一开始对单台AGV的研究，发展到了对多AGV组成的物流系统的研究。而多AGV的路径规划作为直接影响多AGV系统整体性能的重要部分，一直倍受广大学者的关注。随着研究的深入，国内外学者提出了很多计算模型和策略。韩国的Jung Hoon Lee等人将两阶段的交通控制策略[4]应用于多AGV的无碰规划，刘国栋等提出了多AGV调度系统中的两阶段动态路径规划的方法[5]。两阶段控制策略离线生成路径库，减少了在线运算的负担，但是随着节点数的增多，动态规划的负担加重，不适用于大规模多AGV系统。其他如Petri网[6]，遗传算法[7]，Tabu Search算法[8]（禁忌搜索算法）等策略和算法，在系统节点数增多的情况下，也有同样的缺陷。为了有效地共享系统路径，时间窗(Time-window)方法被提出并用于解决多AGV最优路径问题[9]。然而使用时间窗实现多AGV路径规划也是一个NP完全问题，并且在使用时间窗的模型中，获得时间窗的AGV占用路径时间过长，容易导致关键路段发生拥堵，降低系统效率。

  • 静态环境中确定AGV 路径规划

AGV 路径规划在智能控制系统中具有重要作用， 对于保证工作的安全性来说具有重要意义。一直以来，很多学者都对此进行孜孜不倦的探索，这也是机器人学中最新最热的内容之一。主要研究的是在障碍物的环境下，机器人如何寻找到目标，也就是选择合适的路径规划。智能控制下的AGV 路径规划较为重要的两种形态，静态环境中的路径规划以及动态环境中的路径规划。

静态环境下的路径规划是假定在环境信息未被完全掌握的情况下，机器人是通过怎么样的路径感知环境，并且运用局部区域传播算法。因此这种路径一般会在环境中仅存在静态已知障碍物的情况下被采用。但是要分析静态环境中AGV 路径规划，需要解决的一个问题是在这种环境中什么样的路径才能够被认为是合理的。总而言之，能够使AGV 系统实现控制的就是合理路径。合理的路径由路径的平滑程度决定，路径越趋于平缓，则AGV 系统将会更容易实现。此时可以将路径分为四个种类，第一类平滑程度非常低，表现为路径的不连续性，此时很多存在位置会表现突变的特性， 这种情况下AGV 系统不容易被控制，因为这些曲线不连续，无法对其追踪。第二类，这类曲线相对于第一种来说具有连续性，但是在切线方向有时也会发生突变现象。此时也不能够被AGV 系统控制。第三类，这类曲线不仅具有连续性的特点， 而且还能在切线方向保持连续性，因此是较为合理的路径规划，一般情况下也常常被采用。第四类，将以上三类曲线的优点都集于一身，但是要生产这类曲线十分复杂，因此在实践当中，这类曲线很难被采用。

  • 动态环境中确定的路径规划

在动态复杂环境的中的路径规划不同于静态环境中的路径规划。因为环境变化之后，很多信息无法被掌握，要保证最优性在这种情况下是无法被实现的。在进行路径规划时，应当在安全性以及时间性之间进行衡量。在较为复杂的环境下，不管决定适用何种性能指标，都必须要考虑目标吸引、动态安全性以及时间约束三个方面的内容[10]。

 

  1. AGV的导引

AGV的导引（Guidance）是指根据AGV导航（Navigation）所得到的位置信息，按AGV的路径所提供的目标值计算出AGV的实际控制命令值，即给出AGV的设定速度和转向角，这是AGV控制技术的关键。简单看来，AGV的导引控制就是AGV轨迹跟踪。这对有线式的导引（电磁，磁带等导引方式）不会有太多的问题，但对无线式的导引（激光，惯性等导引方式）却不是一件容易的事。

 

图7-2 AGV运行的路径轨迹

AGV的路径规划是根据AGV运行的实际环境设计出AGV运行的路径轨迹，AGV单机按照地面控制系统下发的段表中的路径（段）属性自动行驶。AGV的导引控制算法就是解决段表下发后AGV的参考点如何沿着既定轨迹行走，一般需要实现直线段和四次方曲线的导引控制。对于不同驱动方式的AGV来说，由于它的运动学模型不一样，对应的导引控制算法也是不同的。这里简单讨论SD（Steer Driving）型AGV的导引算法：

我们的控制目标是AGV的参考点，目的是使AGV能很好地沿着既定轨迹行走。对SD型AGV来说，可以控制的只有AGV前轮的转角和速度，通过运动模型可知：参考点的运行轨迹只和前轮的转向角有关，所以，要实现对参考点轨迹跟踪的控制，实际上就是对前轮转向角的控制。

在具体的设计过程中，利用一种“追踪导引方法”，即在AGV的运行过程中参考点始终追踪着路径轨迹上的虚拟点，这个虚拟点就像在赛狗时所用到的兔子，AGV永远追不上，但又永远在AGV前面不远的地方；AGV前进的方向始终指向虚拟点，通过这样周期性的调节，就可以使AGV以很小的误差沿着路径轨迹行走。

  • 总结

AGV系统是集光、机、电、计算机于一体的高新技术，是柔性化、智能化程度极高的输送系统。AGV 技术仍在发展中,随着现代高科技的进步,AGV 的性能与功能都将不断得到提高。AGV系统由于自身的技术优势,将适合更为广泛的工业或非工业需求,得到越来越广泛的应用。