吉林大學(xué)交通學(xué)院  作者:儲江偉  郭克友  王榮本  李 斌  馮炎

　　自動導(dǎo)向車(AGV)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。按日本JISD6801的定義：AGV是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業(yè)車輛。自動導(dǎo)向車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準(zhǔn)時化的要求，與自動導(dǎo)向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構(gòu)成自動導(dǎo)向車系統(tǒng)(AGVS)才能真正發(fā)揮作用。
　　計算機硬件技術(shù)、并行與分布式處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷發(fā)展，為AGV的研究與應(yīng)用提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)如理解與搜索、任務(wù)與路徑規(guī)劃、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，使AGV向著智能化和自主化方向發(fā)展。AGV的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通訊、機械設(shè)計和電子技術(shù)等多個學(xué)科，成為物流自動化研究的熱點之一。
　　盡管對AGV的研究已有多年的歷史，但仍有多項關(guān)鍵技術(shù)還有待提高和突破，以進(jìn)一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費用。本文所述AGV主要用于工廠物流系統(tǒng)，是在已知環(huán)境中，根據(jù)任務(wù)需求并按照一定的導(dǎo)向方式，完成相應(yīng)的物料運輸任務(wù)。因此，導(dǎo)向與控制方式是其核心問題。
　　1  發(fā)展、應(yīng)用與特點
　　1.1發(fā)展與應(yīng)用
　　1953年，美國Barrett Electric公司制造了世界上第1臺采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動導(dǎo)向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。20世紀(jì)60年代和70年代初，AGV仍采用這種導(dǎo)向方式。但是，20世紀(jì)70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應(yīng)用并被引入到美國。這些自動導(dǎo)向車主要用于自動化倉貯系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運輸。在20世紀(jì)70年代和80年代初，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴大而且工作條件也變得多樣化，因此，新的導(dǎo)向方式和技術(shù)得到了更廣泛的研究與開發(fā)。
　　在最近的10-15年里，各種新型AGV被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。單元式AGV主要用于短距離的物料運輸并與自動化程度較高的加工設(shè)備組成柔性生產(chǎn)線。例如，自動導(dǎo)向叉車用于倉貯貨物的自動裝卸和搬運；小型載貨式AGV用于辦公室信件的自動分發(fā)和電子行業(yè)的裝配平臺。除此以外，AGV還用于搬運體積和重量都很大的物品，尤其是在汽車制造過程中用多個載貨平臺式AGV組成移動式輸送線，構(gòu)成整車柔性裝配生產(chǎn)線。最近，小型AGV應(yīng)用更為廣泛，而且以長距離不復(fù)雜的路徑規(guī)劃為主。AGV從僅由大公司應(yīng)用，正向小公司單臺應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而且其效率和效益更好。表1是1993～1997年AGV在國外各個行業(yè)的銷售情況。

表1 AGV在國外各個行業(yè)的銷售情況  % 

　　20世紀(jì)80年代中期，57％的AGV用于汽車制造業(yè)，而在西德則高達(dá)64％。從表1可以看出，汽車制造業(yè)仍然是AGV的主要應(yīng)用領(lǐng)域。另外，根據(jù)對國外公司物料搬運系統(tǒng)裝備類型的統(tǒng)計，采用自動導(dǎo)向車、有軌搬運車、起重機、輥子輸送機、懸掛運輸機的分別占41％、29％、9％、10％和11％。
　　AGV在我國的研究及應(yīng)用起步較晚。20世紀(jì)70年代后期，北京起重運輸機械研究所研制了三輪式AGV。80年代后期，北京機械工業(yè)自動化研究所為二汽研制了應(yīng)用在立體化倉庫中的AGV，沈陽自動化研究所為金杯汽車公司研制了汽車發(fā)動機裝配用的AGV。90年代，清華大學(xué)國家CIMS工程中心將從國外引進(jìn)的AGV成功地應(yīng)用于EIMS的實驗研究；清華大學(xué)計算機技術(shù)應(yīng)用系研制了用于郵政中心的AGV；昆明航舶設(shè)備研究所研制了激光導(dǎo)向式AGV以及吉林工業(yè)大學(xué)智能車輛課題組為汽車裝配線研制了視覺導(dǎo)向AGV等。
　　1.2  特點
　(1) 運行路徑和目的地可以由管理程序控制，機動能力強。而且某些導(dǎo)向方式的線路變更十分方便靈活，設(shè)置成本低。
　(2) 工位識別能力和定位精度高，具有與各種加工設(shè)備協(xié)調(diào)工作的能力。在通訊系統(tǒng)的支持和管理系統(tǒng)的調(diào)度下，可實現(xiàn)物流的柔性控制。
　(3) 載物平臺可以采用不同的安裝結(jié)構(gòu)和裝卸方式，能滿足不同產(chǎn)品運送和加工的需要。因此，物流系統(tǒng)的適應(yīng)能力強。
　(4) 可裝備多種聲光報警系統(tǒng)，能通過車載障礙探測系統(tǒng)在碰撞到障礙物之前自動停車。當(dāng)其列隊行駛或在某一區(qū)域交叉運行時，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人為差錯。因此，AGVS比其他物料搬運系統(tǒng)更安全。
　(5) AGV組成的物流系統(tǒng)不是永久性的，而是在給定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置。與傳統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)在車間內(nèi)固定設(shè)置且不易變更相比，該物流系統(tǒng)的設(shè)置柔性強，并可以充分利用人行通道和叉車通道，從而改善車間地面利用率。
　(6) 與其他物料輸送方式相比，初期投資大，但可以大幅度降低運行費用，特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時。
　　2  導(dǎo)向方法與技術(shù)
　　AGV的導(dǎo)向方式不僅決定著由其組成的物流系統(tǒng)的柔性，也影響著系統(tǒng)運行的可靠性和組態(tài)費用。直到20世紀(jì)80年代，埋線電磁感應(yīng)導(dǎo)向技術(shù)仍然只是可選擇的導(dǎo)向技術(shù)之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及AGV導(dǎo)向技術(shù)的多樣化和導(dǎo)向方式的多元化，使AGV的性能進(jìn)一步提高并能適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境，應(yīng)用也更為廣泛。
　　2.1  導(dǎo)向方法
　　如表2所示，根據(jù)AGV導(dǎo)向信息的來源，導(dǎo)向方式可分為外導(dǎo)式和內(nèi)導(dǎo)式。前者是指在車輛運行路徑上設(shè)置導(dǎo)向信息媒體(如帶有變頻感應(yīng)電磁場的導(dǎo)線、磁帶或色帶等)，由車上的傳感器檢測導(dǎo)向信息的特性(如頻率、磁場強度、光強度等)，再將此信息經(jīng)過處理，控制車輛沿導(dǎo)向路線行駛。后者是指在車輛上預(yù)先設(shè)定運行路徑坐標(biāo)，在車輛運行中實時檢測車輛當(dāng)前位置坐標(biāo)并與預(yù)先設(shè)定值相比較，控制車輛的運行方向，即采用所謂的坐標(biāo)定位原理。另外，根據(jù)AGV導(dǎo)向線路的形式，導(dǎo)向方式又可分為有線式和無線式。外導(dǎo)式中的超聲導(dǎo)向、激光導(dǎo)向和光學(xué)導(dǎo)向可以稱為標(biāo)志反射法，內(nèi)導(dǎo)式方法可以稱為參考位置設(shè)定法。

表2 AGV的導(dǎo)向方法

　　2.2  導(dǎo)向技術(shù)
　　在上述各種導(dǎo)向方法中，所采用的導(dǎo)向技術(shù)主要有電磁感應(yīng)技術(shù)、激光檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、光反射檢測技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、圖像識別技術(shù)和坐標(biāo)識別技術(shù)等。
　　2.2.1  電磁感應(yīng)技術(shù)
　　在AGV運行路徑上，開設(shè)1條寬5mm、深約15mm的敷線槽，并將導(dǎo)線通以5～30kHz的交變電流形成沿導(dǎo)線擴展的交變磁場。車上對稱設(shè)置2個電磁傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測電磁信號的強度，引導(dǎo)車輛沿埋設(shè)的路線行駛。其工作原理見圖1。    

圖1  電磁導(dǎo)向方式的工作原理

　　電磁導(dǎo)向分單頻制和多頻制導(dǎo)向。前者是在整個線路上通以單頻率電流，通過通斷電流信號控制運行。這種方式要求設(shè)置集中控制站，并在各線路的交叉和分支處裝設(shè)傳感標(biāo)志和分支路段的通斷接口。后者是在每個環(huán)線或分支路線上通以不同頻率的電磁信號，AGV接收到相應(yīng)頻率的電磁信號時才能運行。此導(dǎo)向方法可靠性高，但是對地面的平整度要求高，改變運行路徑困難。
　　除變頻電磁感應(yīng)埋線導(dǎo)向外，還有磁場強度固定的磁帶和磁釘導(dǎo)向方式，其導(dǎo)向原理也是通過車上對稱設(shè)置的2個電磁傳感器檢測車輛相對運行路徑的偏離程度來引導(dǎo)車輛。
　　2.2.2激光檢測技術(shù)
　　AGV實時接收固定設(shè)置的3點定位激光信號，通過計算測定其瞬時位置和運行方向，然后與設(shè)定的路徑進(jìn)行比較，以引導(dǎo)車輛運行，其工作原理見圖2。激光檢測技術(shù)的導(dǎo)向與定位精度較高，且提供了任意路徑規(guī)劃的可能性。但成本高，傳感器和發(fā)射或反射裝置的安裝復(fù)雜，位置計算也復(fù)雜。
　　2.2.3光學(xué)檢測技術(shù)
　　采用光學(xué)檢測技術(shù)引導(dǎo)AGV的運行方向，一般是在運行路徑上鋪設(shè)1條具有穩(wěn)定反光率的色帶。車上設(shè)有光源發(fā)射和接收反射光的光電傳感器，通過對檢測到的信號進(jìn)行比較，調(diào)整車輛的運行方向，其工作原理見圖3。
　　2.2.4超聲檢測技術(shù)
　　超聲檢測技術(shù)是利用墻面或類似物體對超聲波的反射信號進(jìn)行定位導(dǎo)向，因而在特定的環(huán)境下可以提高路徑的柔性。同時由于不需要設(shè)置反射鏡面，也降低了導(dǎo)向成本。但是，當(dāng)運行環(huán)境的反射情況比較復(fù)雜時，應(yīng)用還十分困難。
　　2.2.5慣性導(dǎo)航技術(shù)
　　采用陀螺儀檢測AGV的方位角并根據(jù)從某一參考點出發(fā)所測定的行駛距離來確定當(dāng)前位置，通過與已知的地圖路線進(jìn)行比較來控制AGV的運動方向和距離，從而實現(xiàn)自動導(dǎo)向。
　　2.2.6  圖像識別技術(shù)
　　采用圖像識別技術(shù)有2種方法，其一就是利用CCD系統(tǒng)動態(tài)攝取運行路徑周圍環(huán)境圖像信息，并與擬定的運行路徑周圍環(huán)境圖像數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比較，從而確定當(dāng)前位置及對繼續(xù)運行路線做出決策。這種方法不要求設(shè)置任何物理路徑，因此，在理論上是最佳的柔性導(dǎo)向。但實際應(yīng)用還存在問題，主要是實時性差和運行路徑周圍環(huán)境信息庫的建立困難。其二就是標(biāo)識線圖像識別方法，它是在AGV運行所經(jīng)過的地面上畫1條標(biāo)識明顯的導(dǎo)向標(biāo)線，利用CCD系統(tǒng)動態(tài)攝取標(biāo)線圖像并識別出AGV相對于標(biāo)線的方向和距離偏差，以控制車輛沿著設(shè)定的標(biāo)線運行。
　　2.2.7坐標(biāo)檢測技術(shù)
　　采用微型電子坐標(biāo)傳感器通過對電磁場的測量可以確定傳感器相對于起始點的2個轉(zhuǎn)角，即橫擺角和俯仰角。由于1個傳感器只能測量出相對于起始點的方位角，不能給出車輛運行距離，即不能確定當(dāng)前位置。因此，需要采用雙坐標(biāo)傳感器進(jìn)行定位，其原理見圖4。測量時，首先確定2個已知距離為L的參考點A和B，為便于計算，以其中1點為起點。當(dāng)車輛運行到C點時，可以測出2個坐標(biāo)傳感器分別相對于A、B點的角度α和β利用三角測量原理，由A點的坐標(biāo)可以計算出C點的位置為x=ytgα     y=L/(tgα+ctgβ)
    利用坐標(biāo)傳感器可以實現(xiàn)AGV沿預(yù)先規(guī)劃的路徑運行。但是微型電子坐標(biāo)傳感器受電磁場的干擾較大。因此，遠(yuǎn)距離運行時的定位精度較低。

圖4  AGV測角與定位原理

　　3 技術(shù)分析與評價
　　AGV與其他物料搬運方式相比有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在導(dǎo)向柔性、空間利用、運行安全性以及使用費用等方面。
　　3.1  可靠度
　　對國外十幾家AGV公司27個系列產(chǎn)品所采用的主要導(dǎo)向技術(shù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，電磁感應(yīng)、慣性導(dǎo)航、光學(xué)檢測、位置設(shè)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(yīng)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用比例最高，這表明該項技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而機器視覺導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用較少，說明該項技術(shù)還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導(dǎo)航技術(shù)仍然處在研究階段，還有許多技術(shù)問題需要解決。
　　3.2  適應(yīng)能力
　　適應(yīng)能力是指AGV運行時所經(jīng)過地面的整潔程度、空間無障礙程度以及光電干擾程度對導(dǎo)向技術(shù)的限制。由于不同的導(dǎo)向技術(shù)對應(yīng)用環(huán)境的要求不同，因此，某種導(dǎo)向方法的實際應(yīng)用有可能受到限制。
　　對于有線式導(dǎo)向技術(shù)，如埋線感應(yīng)、光學(xué)導(dǎo)向和機器視覺等，環(huán)境要求主要是地面的平整和清潔程度。除了埋線電磁感應(yīng)式對地面的清潔程度要求較低外，其他幾種方式都要求較高。但電磁和磁帶導(dǎo)向方式對地面的平整程度要求較高。
　　對于無線式所采用的激光導(dǎo)向技術(shù)而言，環(huán)境要求主要是空間的無障礙程度。這是由于該種方法要在AGV運行所經(jīng)過空間的特定位置處設(shè)置反射鏡面。因此，需要提供足夠的掃描空間，避免其他物體的干擾。
　　慣性導(dǎo)向和坐標(biāo)識別導(dǎo)向技術(shù)對運行環(huán)境沒有太多的要求。
　　3.3  路徑柔性
　　由AGV組成的物料搬運系統(tǒng)有良好的柔性，但不同的導(dǎo)向技術(shù)其路徑柔性有很大差別。無線式導(dǎo)向方法可以在很短的時間內(nèi)改變運行路徑，其中有些方法只需改變控制軟件實現(xiàn)運行路徑的變更。而有線式導(dǎo)向方法的路徑柔性相對較差，其中電磁感應(yīng)埋線導(dǎo)向技術(shù)導(dǎo)向路徑的變更最困難，成本較高。
　　3.4  運行速度
　　AGV的運行速度受導(dǎo)向技術(shù)的影響很大，主要取決于對導(dǎo)向路徑識別的實時性。所采用的導(dǎo)向技術(shù)對路徑的識別能力(如檢測精確性、實時性和抗干擾性等)直接影響運行速度。有線式導(dǎo)向方法識別路徑的速度快、實時性好，而無線式導(dǎo)向方法相對較差。
　　3.5  導(dǎo)向穩(wěn)定程度
　　導(dǎo)向穩(wěn)定程度是指為使AGV沿著規(guī)定的路線行駛單位時間內(nèi)進(jìn)行糾偏轉(zhuǎn)向控制的次數(shù)和幅度。由于AGV在運行過程中，受某種因素的影響不可避免地產(chǎn)生偏離運動路徑的狀態(tài)，因此為了保證運行方向必須對車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，引起車輛沿曲線運動，導(dǎo)致車輛擺動，甚至轉(zhuǎn)向振蕩。一般來講，有線式導(dǎo)向方法對路徑的跟蹤能力強，行駛穩(wěn)定性好，AGV沿著規(guī)定路線行駛的穩(wěn)定程度高。
　　3.6 定停精度
　　定停精度是指AGV在停車時與預(yù)定位置的偏差，它由方向偏差和距離偏差2部分組成。在物料搬運過程中，AGV應(yīng)能在所要求的工位或貨位上與自動裝卸機構(gòu)準(zhǔn)確對接。定停精度是一項重要的技術(shù)指標(biāo)。
　　定停精度受導(dǎo)向技術(shù)的直接影響并且和控制技術(shù)相關(guān)。用標(biāo)線圖像識別技術(shù)不僅能識別路徑標(biāo)線，而且還可以識別停車標(biāo)識信息，一次柔性定停精度可以達(dá)到土5 mm。電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)的一次柔性定停精度為土20mm，而采用其他導(dǎo)向技術(shù)時，一般需要輔以二次剛性定位措施才能達(dá)到定停精度的要求。
　　3.7  信息容量
　　任何一種導(dǎo)向技術(shù)都以能獲取定位信息為前提，但不同的導(dǎo)向技術(shù)所獲取的相關(guān)信息的容量有很大差別。采用圖像識別技術(shù)不僅可以獲得路徑信息，而且還可以獲得工位編碼，加速、減速和停車標(biāo)識等控制信息，獲取的信息容量大，可提高路徑導(dǎo)向及控制柔性。
　　3.8  技術(shù)成本
　　導(dǎo)向技術(shù)的技術(shù)成本包括2個方面，即制造成本和使用費用。一般來講，無線式導(dǎo)向方法的制造成本較高，而有線式導(dǎo)向方法的使用費用較高。

　　4  結(jié)束語
　　AGV是工廠及倉儲物料搬運自動化的主要裝備之一，而導(dǎo)向技術(shù)決定著由AGV組成的物流系統(tǒng)的柔性。在本文所述的各種導(dǎo)向技術(shù)中，電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)最成熟，使用可靠；無線式導(dǎo)向技術(shù)成本較高，但路徑設(shè)置和變更簡單方便，使用費用低；有線式導(dǎo)向技術(shù)對地面的平整和清潔程度要求較高，其中電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)的路徑設(shè)置和變更復(fù)雜，使用費用高；標(biāo)線圖像識別技術(shù)所能獲取的信息容量大，路徑設(shè)置和變更簡單方便，導(dǎo)向控制柔性好，定停精度高，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的導(dǎo)向技術(shù)。