自动导向车

自动导向车简介



　　自动导向车(AGV) 是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆。按日本JISD6801的定义：AGV是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆。自动导向车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通讯系统、安全系统和管理系统等构成自动导向车系统(AGVS)才能真正发挥作用^[1][2]。


　　计算机硬件技术、并行与分布式处理技术、自动控制技术、传感器技术以及软件开发环境的不断发展，为AGV的研究与应用提供了必要的技术基础。人工智能技术如理解与搜索、任务与路径规划、模糊与神经网络控制技术的发展，使AGV向着智能化和自主化方向发展。AGV的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科，成为物流自动化研究的热点之一。


　　尽管对AGV的研究已有多年的历史，但仍有多项关键技术还有待提高和突破，以进一步提高AGV的性能，降低制造成本和减少使用费用^[3][4]。



自动导向车(AGV)的发展历史^[5]

1953年，第一辆AGV

　　AGV扮演物料运输的角色已经50多年了。第一辆AGV诞生于1953年，它是由一辆牵引式拖拉机改造而成的，带有车兜，在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。到上世纪五十年代末到六十年代初期时，已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。

1973年，沃尔沃装配厂

　　1973年，位于瑞典卡尔马市的沃尔沃装配厂着手发展异步设备装配线，来替代传统的传送带式装配线。至此，由计算机控制的装配型AGV数量达到了280辆。

20世纪70年代，首辆负载AGV

　　20世纪70年代中期，由于负载AGV的引入，AGV产业得到了第一次较大的发展。由于这些负载AGV能够为物料处理领域提供多功能的服务而被广泛接受，例如工厂里的工作站台，传送设备，以及控制系统和信息系统之间的连接等。目前，已经有许多厂家制造的几百个负载AGV系统运转着。这些 AGV系统在仓库、工厂、作坊、医院以及其它工商业领域中得到了广泛的运用。

智能地面和dumb小车

　　20世纪70年代，基本的导引技术是靠感应埋在地下的导线产生的电磁频率。通过一个叫做“地面控制器”的设备打开或关闭导线中的频率，从而指引AGV沿着预定的路径行驶。由于AGV只是沿着地面上的信号行驶，所以被称为“dumb”，而AGV行驶的路径是由智能的地面控制器决定的，因此，这一时期的系统被称为“智能地面”和“dumb小车”。


　　AGV上的传感器将根据信号的强度，选择某一频率的电磁信号为AGV提供导引。这项技术必须在地面埋设多条导线来处理交叉点或其它操作点。系统将给导线施加一定的电压，使AGV按照预定的路径行驶。例如，在一个交叉点必须设置3条独立的导线。


　　这些第一代的导航电路在安装上的花费是昂贵的。因为在AGV所行驶的路径上都需要在地面上开槽，而且在弯道处，开槽的轨迹必须符合AGV的转弯半径。很多系统都需要埋设4条导线——3条用于导航，1条用于通信。另外，导线中的导航信号经常会受到周围的钢筋或电子信号的干扰。

死估算能力

　　随着电子技术和微处理器技术的不断发展，AGV的应用也越发广泛。AGV变得更加智能化，而路径却没有以前那么复杂了。其中，死估算的发展是最主要的突破之一。死估算这一术语描述的是AGV自主在地面行驶的能力。死估算的最大优点是在交叉点不需要沿着AGV的转弯半径开槽，AGV可以离开导线，按照程序中设定的半径转弯，然后再继续沿着导线行走。这样，虽然在地面上仍然需要埋设多条导线，但是导线的安装却非常简单了。

20世纪80年代，无线式导引

　　20世纪80年代末期，无线式导引技术引入到AGV系统中，例如利用激光和惯性进行导引，这样提高了AGV系统的灵活性和准确性，而且，当需要修改路径时，也不必改动地面或中断生产。这些导引方式的引入，使得导引方式更加多样化了。

计算机的功能

　　随着电子产品和计算机软件等高科技产品的快速发展，降低了微电脑和微电子器件的成本，毫无疑问，这对AGV的发展起到了极大的推动作用。AGV系统中的计算机用于存储指令、做出判断以及执行程序等。实际上，几乎所有目前由人工控制的物料处理过程，都可以由AGV来完成。AGV能够合理安排生产时序，保存产品清单，管理系统明细，以及控制多种类型的机械系统的所有操作。

应用与控制

　　AGV的应用从最初的传统式定向配送，迅猛地发展到拥有机器人接口的、由复杂的计算机控制的汽车装配线领域。AGV能够成为一个独立的系统，也可以集成到其它系统中，或者成为各个相对独立的自动化生产区之间的纽带。最初的AGV只用于在水平方向上搬运放在托盘上的物料，而目前对于AGV的设计和应用已经像工业机器人一样多种多样了。

AGV的制造

　　市场对AGV需求量可以由AGV生产厂家的增长数量来衡量。上世纪70年代末起，美国只有不到6家AGV生产厂家，AGV的型号也不过3种。随着对产品标准化设计的日益重视，到了1990年，全世界的AGV生产厂家达到40多个，车型也超过了15种。随着科技的发展，将推动未来AGV的革新。而AGV使用数量的日益增长，反过来又促进了在AGV研发上加大投资力度。



自动导向车的发展与应用

　　1953年，美国Barrett Electric公司制造了世界上第1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。20世纪60年代和70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪70年代中期，具有载货功能的AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输。在20世纪70年代和80年代初，AGV的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发^[6]。


　　在最近的10—15年里，各种新型AGV被广泛地应用于各个领域。单元式AGV主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线。例如，自动导向叉车用于仓贮货物的自动装卸和搬运；小型载货式AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台。除此以外，AGV还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在汽车制造过程中用多个载货平台式AGV组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型AGV应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。AGV从仅由大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好^[7]。表1是1993～1997年AGV在国外各个行业的销售情况。


　　表1　　AGV在国外各个行业的销售情况(%)





年份 1993 1994 1995 1996 1997




汽车制造 27.2 27.6 28.1 28.6 29.1




航空国防 10.6 9.9 9.2 8.5 7.9




电子行业 12.1 12.3 12.5 12.6 12.8




服务行业 20.7 21.0 21.3 21.6 22




工程机械 8.7 8.6 8.6 8.6 8.6




其他 20.7 20.6 20.3 20.1 19.6



　　20世纪80年代中期，57％的AGV用于汽车制造业，而在西德则高达64％。从表1可以看出，汽车制造业仍然是AGV的主要应用领域。另外，根据对国外公司物料搬运系统装备类型的统计，采用自动导向车、有轨搬运车、起重机、辊子输送机、悬挂运输机的分别占41％、29％、9％、10％和11％。


　　AGV在我国的研究及应用起步较晚。20世纪70年代后期，北京起重运输机械研究所研制了三轮式AGV。80年代后期，北京机械工业自动化研究所为二汽研制了应用在立体化仓库中的AGV，沈阳自动化研究所为金杯汽车公司研制了汽车发动机装配用的AGV。90年代，清华大学国家CIMS工程中心将从国外引进的AGV成功地应用于EIMS的实验研究；清华大学计算机技术应用系研制了用于邮政中心的AGV；昆明航舶设备研究所研制了激光导向式AGV以及吉林工业大学智能车辆课题组为汽车装配线研制了视觉导向AGV等。


　　目前国产AGV在国内的应用主要在汽车装配线行业，欧美AGV在国内主要应用在卷烟行业。国内AGV技术激光导航器等关键部件还是需要进口。


AGV应用行业^[8]

仓储业

　　仓储业是AGV最早应用的场所。目前世界上约有2万台各种各样AGV 运行在2100座大大小小仓库中。据了解，海尔集团于2000年投产运行的开发区立体仓库中，曾应用9台AG V组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400的出入库货物和零部件的搬运任务。

制造业

　　AGV 在制造业的生产线中则大显身手，高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得到了普遍应用 。


width="260" height="202"> AGV在港口运输中的应用

邮局、图书馆、港口码头和机场

　　在邮局、图书馆、码头和机场等场合， 物品的运送存在着作业量变化大，动态性强，作业流程经常调整，以及搬运作业过程单一等特点，AGV的 并行作业、自动化、智能化和柔性化的特性能够很好的满足上式场合的搬运要求。

烟草、医药、食品、化工

　　对于搬运作业有清洁、安全、无排放污染等特殊要求的烟草 、医药、食品、化工等行业中，AGV的应用也受到重视。在国内的许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪 红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。

危险场所和特种行业

　　在军事上，以AGV的自动驾驶为基础集成其他 探测和拆卸设备，可用于战场排雷和阵地侦察。在钢铁厂，AGV用于炉料运送，减轻了工人的劳动强度。在核电站和利用核辐射进行保鲜储存的场所，AGV用于物品的运送，避免了危险的辐射。在胶卷和胶片仓库，AGV可以在黑暗的环境中，准确可靠的运送物料和半成品



自动导向车的特点^[9]

　　1、运行路径和目的地可以由管理程序控制，机动能力强。而且某些导向方式的线路变更十分方便灵活，设置成本低。


　　2、工位识别能力和定位精度高，具有与各种加工设备协调工作的能力。在通讯系统的支持和管理系统的调度下，可实现物流的柔性控制。


　　3、载物平台可以采用不同的安装结构和装卸方式，能满足不同产品运送和加工的需要。因此，物流系统的适应能力强。


　　4、可装备多种声光报警系统，能通过车载障碍探测系统在碰撞到障碍物之前自动停车。当其列队行驶或在某一区域交叉运行时，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人为差错。因此，AGVS比其他物料搬运系统更安全。


　　5、AGV组成的物流系统不是永久性的，而是在给定的区域内设置。与传统物料输送系统在车间内固定设置且不易变更相比，该物流系统的设置柔性强，并可以充分利用人行通道和叉车通道，从而改善车间地面利用率。


　　6、与其他物料输送方式相比，初期投资大，但可以大幅度降低运行费用，特别是在产品类型和工位较多时。AGV在国内限制发展的原因就是价格太贵，一般行业无法接受。



自动导向车的的导向方法与技术^[9]

　　AGV的导向方式不仅决定着由其组成的物流系统的柔性，也影响着系统运行的可靠性和组态费用。直到20世纪80年代，埋线电磁感应导向技术仍然只是可选择的导向技术之一。随着电子技术的发展，以及AGV导向技术的多样化和导向方式的多元化，使AGV的性能进一步提高并能适应更复杂的工作环境，应用也更为广泛。


导向方法



分类 按信息的来源 按线路的形式




方式 外导式 内导式 有线式 无线式




方法 电磁导向
超声导向
激光导向
光学导向
标线导向 坐标识别
惯性导向
自主导航


电磁线路
磁带线路
色带线路
网格线路
标线线路 超声导向
激光导向
坐标识别
惯性导向
自主导航



　　如表2所示，根据AGV导向信息的来源，导向方式可分为外导式和内导式。前者是指在车辆运行路径上设置导向信息媒体(如带有变频感应电磁场的导线、磁带或色带等)，由车上的传感器检测导向信息的特性(如频率、磁场强度、光强度等)，再将此信息经过处理，控制车辆沿导向路线行驶。后者是指在车辆上预先设定运行路径坐标，在车辆运行中实时检测车辆当前位置坐标并与预先设定值相比较，控制车辆的运行方向，即采用所谓的坐标定位原理。另外，根据AGV导向线路的形式，导向方式又可分为有线式和无线式。外导式中的超声导向、激光导向和光学导向可以称为标志反射法，内导式方法可以称为参考位置设定法。


导向技术

　　在上述各种导向方法中，所采用的导向技术主要有电磁感应技术、激光检测技术、超声检测技术、光反射检测技术、惯性导航技术、图像识别技术和坐标识别技术等。


　　1、电磁感应技术


　　在AGV运行路径上，开设1条宽5mm、深约15mm的敷线槽，并将导线通以5～30kHz的交变电流形成沿导线扩展的交变磁场。车上对称设置2个电磁传感器，利用电磁感应原理，通过检测电磁信号的强度，引导车辆沿埋设的路线行驶。其工作原理见图1。


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　　图1　电磁导向方式的工作原理


　　电磁导向分单频制和多频制导向。前者是在整个线路上通以单频率电流，通过通断电流信号控制运行。这种方式要求设置集中控制站，并在各线路的交叉和分支处装设传感标志和分支路段的通断接口。后者是在每个环线或分支路线上通以不同频率的电磁信号，AGV接收到相应频率的电磁信号时才能运行。此导向方法可靠性高，但是对地面的平整度要求高，改变运行路径困难。


　　除变频电磁感应埋线导向外，还有磁场强度固定的磁带和磁钉导向方式，其导向原理也是通过车上对称设置的2个电磁传感器检测车辆相对运行路径的偏离程度来引导车辆。


　　2、激光检测技术


　　AGV实时接收固定设置的3点定位激光信号，通过计算测定其瞬时位置和运行方向，然后与设定的路径进行比较，以引导车辆运行，其工作原理见图2。


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　　图2　激光导向智能车


　　激光检测技术的导向与定位精度较高，且提供了任意路径规划的可能性。但成本高，传感器和发射或反射装置的安装复杂，位置计算也复杂。


　　3、光学检测技术


　　采用光学检测技术引导AGV的运行方向，一般是在运行路径上铺设1条具有稳定反光率的色带。车上设有光源发射和接收反射光的光电传感器，通过对检测到的信号进行比较，调整车辆的运行方向，其工作原理见图3。


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　　图3　光学带反射方式的工作原理


　　4、超声检测技术


　　超声检测技术是利用墙面或类似物体对超声波的反射信号进行定位导向，因而在特定的环境下可以提高路径的柔性。同时由于不需要设置反射镜面，也降低了导向成本。但是，当运行环境的反射情况比较复杂时，应用还十分困难。


　　5、惯性导航技术


　　采用陀螺仪检测AGV的方位角并根据从某一参考点出发所测定的行驶距离来确定当前位置，通过与已知的地图路线进行比较来控制AGV的运动方向和距离，从而实现自动导向。


　　6、图像识别技术


　　采用图像识别技术有2种方法，其一就是利用CCD系统动态摄取运行路径周围环境图像信息，并与拟定的运行路径周围环境图像数据库中的信息进行比较，从而确定当前位置及对继续运行路线做出决策。这种方法不要求设置任何物理路径，因此，在理论上是最佳的柔性导向。


　　但实际应用还存在问题，主要是实时性差和运行路径周围环境信息库的建立困难。其二就是标识线图像识别方法，它是在AGV运行所经过的地面上画1条标识明显的导向标线，利用CCD系统动态摄取标线图像并识别出AGV相对于标线的方向和距离偏差，以控制车辆沿着设定的标线运行。


　　7、坐标检测技术


　　采用微型电子坐标传感器通过对电磁场的测量可以确定传感器相对于起始点的2个转角，即横摆角和俯仰角。由于1个传感器只能测量出相对于起始点的方位角，不能给出车辆运行距离，即不能确定当前位置。因此，需要采用双坐标传感器进行定位，其原理见图4。


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　　图4　AGV测角与定位原理


　　测量时，首先确定2个已知距离为L的参考点A和B，为便于计算，以其中1点为起点。当车辆运行到C点时，可以测出2个坐标传感器分别相对于A、B点的角度α和β利用三角测量原理，由A点的坐标可以计算出C点的位置为


　　x=ytgα


　　y=L/(tgα+ctgβ)


利用坐标传感器可以实现AGV沿预先规划的路径运行。但是微型电子坐标传感器受电磁场的干扰较大。因此，远距离运行时的定位精度较低。



自动导向车的技术分析与评价^[9]

　　AGV与其他物料搬运方式相比有很多优点，主要表现在导向柔性、空间利用、运行安全性以及使用费用等方面。


　　1、可靠度


　　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。


　　2、适应能力


　　适应能力是指AGV运行时所经过地面的整洁程度、空间无障碍程度以及光电干扰程度对导向技术的限制。由于不同的导向技术对应用环境的要求不同，因此，某种导向方法的实际应用有可能受到限制。


　　对于有线式导向技术，如埋线感应、光学导向和机器视觉等，环境要求主要是地面的平整和清洁程度。除了埋线电磁感应式对地面的清洁程度要求较低外，其他几种方式都要求较高。但电磁和磁带导向方式对地面的平整程度要求较高。


　　对于无线式所采用的激光导向技术而言，环境要求主要是空间的无障碍程度。这是由于该种方法要在AGV运行所经过空间的特定位置处设置反射镜面。因此，需要提供足够的扫描空间，避免其他物体的干扰。


　　惯性导向和坐标识别导向技术对运行环境没有太多的要求。


　　3、路径柔性


　　由AGV组成的物料搬运系统有良好的柔性，但不同的导向技术其路径柔性有很大差别。


　　无线式导向方法可以在很短的时间内改变运行路径，其中有些方法只需改变控制软件实现运行路径的变更。而有线式导向方法的路径柔性相对较差，其中电磁感应埋线导向技术导向路径的变更最困难，成本较高。


　　4、运行速度


　　AGV的运行速度受导向技术的影响很大，主要取决于对导向路径识别的实时性。所采用的导向技术对路径的识别能力(如检测精确性、实时性和抗干扰性等)直接影响运行速度。


　　有线式导向方法识别路径的速度快、实时性好，而无线式导向方法相对较差。


　　5、导向稳定程度


　　导向稳定程度是指为使AGV沿着规定的路线行驶单位时间内进行纠偏转向控制的次数和幅度。由于AGV在运行过程中，受某种因素的影响不可避免地产生偏离运动路径的状态，因此为了保证运行方向必须对车辆进行转向控制，引起车辆沿曲线运动，导致车辆摆动，甚至转向振荡。


　　一般来讲，有线式导向方法对路径的跟踪能力强，行驶稳定性好，AGV沿着规定路线行驶的稳定程度高。


　　6、定停精度


　　定停精度是指AGV在停车时与预定位置的偏差，它由方向偏差和距离偏差2部分组成。在物料搬运过程中，AGV应能在所要求的工位或货位上与自动装卸机构准确对接。定停精度是一项重要的技术指标。


　　定停精度受导向技术的直接影响并且和控制技术相关。用标线图像识别技术不仅能识别路径标线，而且还可以识别停车标识信息，一次柔性定停精度可以达到±5mm。电磁感应埋线式导向技术的一次柔性定停精度为±20mm，而采用其他导向技术时，一般需要辅以二次刚性定位措施才能达到定停精度的要求。


　　国外先进的AGV制作厂家，导线定位定靠精度可以达到±2mm，激光定位停靠精度可以达到±10mm。


　　7、信息容量


　　任何一种导向技术都以能获取定位信息为前提，但不同的导向技术所获取的相关信息的容量有很大差别。采用图像识别技术不仅可以获得路径信息，而且还可以获得工位编码，加速、减速和停车标识等控制信息，获取的信息容量大，可提高路径导向及控制柔性。


　　8、技术成本


　　导向技术的技术成本包括二个方面，即制造成本和使用费用。一般来讲，无线式导向方法的制造成本较高，而有线式导向方法的使用费用较高。


　　AGV是工厂及仓储物料搬运自动化的主要装备之一，而导向技术决定着由AGV组成的物流系统的柔性。在所述的各种导向技术中，电磁感应埋线式导向技术最成熟，使用可靠；无线式导向技术成本较高，但路径设置和变更简单方便，使用费用低；有线式导向技术对地面的平整和清洁程度要求较高，其中电磁感应埋线式导向技术的路径设置和变更复杂，使用费用高；标线图像识别技术所能获取的信息容量大，路径设置和变更简单方便，导向控制柔性好，定停精度高，是一种具有广泛应用前景的导向技术。



自动导引车的研究状态与发展^[10]

　　五十年代，第一台自动导引车是由Barrett电子公司在美国开发成功，但在六十年代和七十年代AGV技术主要在欧洲得到发展。八十年代，发展中心又转移到美国。


　　目前在国内AGV的应用刚刚开始，并逐渐开始推广，总体上相当于国外八，九十年代的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业，飞机制造业，家用电器行业，烟草行业，机械加工，仓库，邮电部门等。这说明AGV在我国有一个潜在的广阔市场。


　　随着社会科技的发展和市场需求水平的提高，AGV 技术也有其自身的主要发展方向：

AGV的市场正向二极化方向发展，一个是向自动化程度高的高档市场发展；另一个是向流通领域 、 办公室等大多数人为接点的低档市场发展。

AGV正向多导向方式、智能化发展。

　　要求现预定的搬运计划，发挥无人搬运车的优势，关键取决于导向系统。电磁导向方式是最先开发的AGV导向方式，目前应用的范围最为广泛。但由于电磁导向方式的缺点，相继出现了光学导向方式，磁石导向方式，激光导向，标记追踪导向及图象传感器导向方式等。多种导向方式充分体现了无人搬运系统高柔性，高效率，高可靠性，低成本的发展特点，并正向智能化方向发展，使AGV技术达到新水平。

对AGV 进行工程可行性分析验证时，愈来愈多的使用系统仿真方法。专用仿真语言将使用户使用方便，仿真费用将不断降低，一般仿真系统包括有彩色图形输入与显示系统，仿真处理机和仿真语言。

AGV/AGV模块化设计研究，由于不同的AGV/AGV之间有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采用模块化的设计方法，将AGV的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。

AGV系统控制结构愈来愈多地具有跟踪物料和存储信息的功能，以支持“准时制”生产，以便允许与AGV间或任何其他控制器进行通信。

把AGV和移动机器人的能够进行灵活操作的优点结合起来，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用。

AGV在工业领域中的应用将继续增长，并进入生活服务行业，其中包括办公室、医院、宾馆、邮政部门、超级市场和高尔夫球场等。

参考文献

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10. ↑ 自动导引车的研究状态与发展