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  %
年份
1993  1994  1995  1996  1997
汽車制造
27.2  27.6  28.1  28.6  29.1
航空國防
10.6  9.9  9.2  8.5  7.9
電子行業(yè)
12.1  12.3  12.5  12.6  12.8  
服務(wù)行業(yè)
20.7  21.0  21.3  21.6  22
工程機械
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
分類
按信息的來源  按線路的形式

方式
外導(dǎo)式  有線式
方法
電磁導(dǎo)向  坐標(biāo)識別  電磁線路  超聲導(dǎo)向
超聲導(dǎo)向
慣性導(dǎo)向  磁帶線路  激光導(dǎo)向
激光導(dǎo)向
自主導(dǎo)航  色帶線路  坐標(biāo)識別
光學(xué)導(dǎo)向
網(wǎng)格線路  慣性導(dǎo)向
標(biāo)線導(dǎo)向
標(biāo)線線路  自主導(dǎo)航
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)。