簡介
自動(dòng)導(dǎo)向車(AGV) 是采用自動(dòng)或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動(dòng)行駛或牽引著載貨臺(tái)車至指定地點(diǎn)，再用自動(dòng)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(dòng)力源的一種自動(dòng)操縱行駛的工業(yè)車輛。自動(dòng)導(dǎo)向車只有按物料搬運(yùn)作業(yè)自動(dòng)化、柔性化和準(zhǔn)時(shí)化的要求，與自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、自動(dòng)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(dòng)導(dǎo)向車系統(tǒng)(AGVS)才能真正發(fā)揮作用。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、并行與分布式處理技術(shù)、自動(dòng)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(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息通訊、機(jī)械設(shè)計(jì)和電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，成為物流自動(dòng)化研究的熱點(diǎn)之一。
盡管對(duì)AGV的研究已有多年的歷史，但仍有多項(xiàng)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(fèi)用 。
發(fā)展歷史
1.1953年，第一輛AGV
AGV扮演物料運(yùn)輸?shù)慕巧呀?jīng)50多年了。第一輛AGV誕生于1953年，它是由一輛牽引式拖拉機(jī)改造而成的，帶有車兜，在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導(dǎo)線運(yùn)輸貨物。到上世紀(jì)五十年代末到六十年代初期時(shí)，已有多種類型的牽引式AGV用于工廠和倉庫。
2.1973年，沃爾沃裝配廠
1973年，位于瑞典卡爾馬市的沃爾沃裝配廠著手發(fā)展異步設(shè)備裝配線，來替代傳統(tǒng)的傳送帶式裝配線。至此，由計(jì)算機(jī)控制的裝配型AGV數(shù)量達(dá)到了280輛。
3.20世紀(jì)70年代，首輛負(fù)載AGV
20世紀(jì)70年代中期，由于負(fù)載AGV的引入，AGV產(chǎn)業(yè)得到了第一次較大的發(fā)展。由于這些負(fù)載AGV能夠?yàn)槲锪咸幚眍I(lǐng)域提供多功能的服務(wù)而被廣泛接受，例如工廠里的工作站臺(tái)，傳送設(shè)備，以及控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的連接等。已經(jīng)有許多廠家制造的幾百個(gè)負(fù)載AGV系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)著。這些 AGV系統(tǒng)在倉庫、工廠、作坊、醫(yī)院以及其它工商業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用。
4.智能地面和dumb小車
20世紀(jì)70年代，基本的導(dǎo)引技術(shù)是靠感應(yīng)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率。通過一個(gè)叫做“地面控制器”的設(shè)備打開或關(guān)閉導(dǎo)線中的頻率，從而指引AGV沿著預(yù)定的路徑行駛。由于AGV只是沿著地面上的信號(hào)行駛，所以被稱為“dumb”，而AGV行駛的路徑是由智能的地面控制器決定的，因此，這一時(shí)期的系統(tǒng)被稱為“智能地面”和“dumb小車”。
AGV上的傳感器將根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度，選擇某一頻率的電磁信號(hào)為AGV提供導(dǎo)引。這項(xiàng)技術(shù)必須在地面埋設(shè)多條導(dǎo)線來處理交叉點(diǎn)或其它操作點(diǎn)。系統(tǒng)將給導(dǎo)線施加一定的電壓，使AGV按照預(yù)定的路徑行駛。例如，在一個(gè)交叉點(diǎn)必須設(shè)置3條獨(dú)立的導(dǎo)線。
這些第一代的導(dǎo)航電路在安裝上的花費(fèi)是昂貴的。因?yàn)樵贏GV所行駛的路徑上都需要在地面上開槽，而且在彎道處，開槽的軌跡必須符合AGV的轉(zhuǎn)彎半徑。很多系統(tǒng)都需要埋設(shè)4條導(dǎo)線——3條用于導(dǎo)航，1條用于通信。另外，導(dǎo)線中的導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)常會(huì)受到周圍的鋼筋或電子信號(hào)的干擾。
5.死估算能力
隨著電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV的應(yīng)用也越發(fā)廣泛。AGV變得更加智能化，而路徑卻沒有以前那么復(fù)雜了。其中，死估算的發(fā)展是最主要的突破之一。死估算這一術(shù)語描述的是AGV自主在地面行駛的能力。死估算的最大優(yōu)點(diǎn)是在交叉點(diǎn)不需要沿著AGV的轉(zhuǎn)彎半徑開槽，AGV可以離開導(dǎo)線，按照程序中設(shè)定的半徑轉(zhuǎn)彎，然后再繼續(xù)沿著導(dǎo)線行走。這樣，雖然在地面上仍然需要埋設(shè)多條導(dǎo)線，但是導(dǎo)線的安裝卻非常簡單了。
6.20世紀(jì)80年代，無線式導(dǎo)引
20世紀(jì)80年代末期，無線式導(dǎo)引技術(shù)引入到AGV系統(tǒng)中，例如利用激光和慣性進(jìn)行導(dǎo)引，這樣提高了AGV系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性，而且，當(dāng)需要修改路徑時(shí)，也不必改動(dòng)地面或中斷生產(chǎn)。這些導(dǎo)引方式的引入，使得導(dǎo)引方式更加多樣化了。
7.計(jì)算機(jī)的功能
隨著電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)軟件等高科技產(chǎn)品的快速發(fā)展，降低了微電腦和微電子器件的成本，毫無疑問，這對(duì)AGV的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。AGV系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)指令、做出判斷以及執(zhí)行程序等。實(shí)際上，幾乎所有由人工控制的物料處理過程，都可以由AGV來完成。AGV能夠合理安排生產(chǎn)時(shí)序，保存產(chǎn)品清單，管理系統(tǒng)明細(xì)，以及控制多種類型的機(jī)械系統(tǒng)的所有操作。
8.應(yīng)用與控制
AGV的應(yīng)用從最初的傳統(tǒng)式定向配送，迅猛地發(fā)展到擁有機(jī)器人接口的、由復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制的汽車裝配線領(lǐng)域。AGV能夠成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，也可以集成到其它系統(tǒng)中，或者成為各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)區(qū)之間的紐帶。最初的AGV只用于在水平方向上搬運(yùn)放在托盤上的物料，而對(duì)于AGV的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)像工業(yè)機(jī)器人一樣多種多樣了。
9.AGV的制造
市場對(duì)AGV需求量可以由AGV生產(chǎn)廠家的增長數(shù)量來衡量。上世紀(jì)70年代末起，美國只有不到6家AGV生產(chǎn)廠家，AGV的型號(hào)也不過3種。隨著對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的日益重視，到了1990年，全世界的AGV生產(chǎn)廠家達(dá)到40多個(gè)，車型也超過了15種。隨著科技的發(fā)展，將推動(dòng)未來AGV的革新。而AGV使用數(shù)量的日益增長，反過來又促進(jìn)了在AGV研發(fā)上加大投資力度 。
發(fā)展應(yīng)用
1953年，美國Barrett Electric公司制造了世界上第1臺(tái)采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動(dòng)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(dòng)導(dǎo)向車主要用于自動(dòng)化倉貯系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運(yùn)輸。在20世紀(jì)70年代和80年代初，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)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)[6]。 在最近的10—15年里，各種新型AGV被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。單元式AGV主要用于短距離的物料運(yùn)輸并與自動(dòng)化程度較高的加工設(shè)備組成柔性生產(chǎn)線。例如，自動(dòng)導(dǎo)向叉車用于倉貯貨物的自動(dòng)裝卸和搬運(yùn)；小型載貨式AGV用于辦公室信件的自動(dòng)分發(fā)和電子行業(yè)的裝配平臺(tái)。除此以外，AGV還用于搬運(yùn)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(gè)載貨平臺(tái)式AGV組成移動(dòng)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(tái)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而且其效率和效益更好。
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(duì)國外公司物料搬運(yùn)系統(tǒng)裝備類型的統(tǒng)計(jì)，采用自動(dòng)導(dǎo)向車、有軌搬運(yùn)車、起重機(jī)、輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)、懸掛運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸機(jī)械研究所研制了三輪式AGV。80年代后期，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化研究所為金杯汽車公司研制了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)研究；清華大學(xué)計(jì)算機(jī)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。
國產(chǎn)AGV在國內(nèi)的應(yīng)用主要在汽車裝配線行業(yè)，歐美AGV在國內(nèi)主要應(yīng)用在卷煙行業(yè)。國內(nèi)AGV技術(shù)激光導(dǎo)航器等關(guān)鍵部件還是需要進(jìn)口。
特點(diǎn)
1、運(yùn)行路徑和目的地可以由管理程序控制，機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)。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(shí)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(shí)現(xiàn)物流的柔性控制。
3、載物平臺(tái)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(yùn)送和加工的需要。因此，物流系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。
4、可裝備多種聲光報(bào)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(dòng)停車。當(dāng)其列隊(duì)行駛或在某一區(qū)域交叉運(yùn)行時(shí)，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人為差錯(cuò)。因此，AGVS比其他物料搬運(yùn)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(qiáng)，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(yùn)行費(fèi)用，特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時(shí)。AGV在國內(nèi)限制發(fā)展的原因就是價(jià)格太貴，一般行業(yè)無法接受。
導(dǎo)向方法技術(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(yùn)行的可靠性和組態(tài)費(fèi)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。
導(dǎo)向方法
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(yùn)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(qiáng)度、光強(qiáng)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(yùn)行路徑坐標(biāo)，在車輛運(yùn)行中實(shí)時(shí)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(yùn)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。
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(shí)別技術(shù)和坐標(biāo)識(shí)別技術(shù)等。
1、電磁感應(yīng)技術(shù)
在AGV運(yùn)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(kuò)展的交變磁場。車上對(duì)稱設(shè)置2個(gè)電磁傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測電磁信號(hào)的強(qiáng)度，引導(dǎo)車輛沿埋設(shè)的路線行駛。
電磁導(dǎo)向分單頻制和多頻制導(dǎo)向。前者是在整個(gè)線路上通以單頻率電流，通過通斷電流信號(hào)控制運(yùn)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(gè)環(huán)線或分支路線上通以不同頻率的電磁信號(hào)，AGV接收到相應(yīng)頻率的電磁信號(hào)時(shí)才能運(yùn)行。此導(dǎo)向方法可靠性高，但是對(duì)地面的平整度要求高，改變運(yùn)行路徑困難。
除變頻電磁感應(yīng)埋線導(dǎo)向外，還有磁場強(qiáng)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(duì)稱設(shè)置的2個(gè)電磁傳感器檢測車輛相對(duì)運(yùn)行路徑的偏離程度來引導(dǎo)車輛。
2、激光檢測技術(shù)
AGV實(shí)時(shí)接收固定設(shè)置的3點(diǎn)定位激光信號(hào)，通過計(jì)算測定其瞬時(shí)位置和運(yùn)行方向，然后與設(shè)定的路徑進(jìn)行比較，以引導(dǎo)車輛運(yùn)行。
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(jì)算也復(fù)雜。
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(yùn)行方向，一般是在運(yùn)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(duì)檢測到的信號(hào)進(jìn)行比較，調(diào)整車輛的運(yùn)行方向。
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(duì)超聲波的反射信號(hào)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(shí)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(yùn)行環(huán)境的反射情況比較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)用還十分困難。
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(diǎn)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(yùn)動(dòng)方向和距離，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)向。
6、圖像識(shí)別技術(shù)
采用圖像識(shí)別技術(shù)有2種方法，其一就是利用CCD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)攝取運(yùn)行路徑周圍環(huán)境圖像信息，并與擬定的運(yùn)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(duì)繼續(xù)運(yùn)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(shí)際應(yīng)用還存在問題，主要是實(shí)時(shí)性差和運(yùn)行路徑周圍環(huán)境信息庫的建立困難。其二就是標(biāo)識(shí)線圖像識(shí)別方法，它是在AGV運(yùn)行所經(jīng)過的地面上畫1條標(biāo)識(shí)明顯的導(dǎo)向標(biāo)線，利用CCD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)攝取標(biāo)線圖像并識(shí)別出AGV相對(duì)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(yùn)行。
7、坐標(biāo)檢測技術(shù)
采用微型電子坐標(biāo)傳感器通過對(duì)電磁場的測量可以確定傳感器相對(duì)于起始點(diǎn)的2個(gè)轉(zhuǎn)角，即橫擺角和俯仰角。由于1個(gè)傳感器只能測量出相對(duì)于起始點(diǎn)的方位角，不能給出車輛運(yùn)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。
自動(dòng)導(dǎo)向車的技術(shù)分析與評(píng)價(jià)
AGV與其他物料搬運(yùn)方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在導(dǎo)向柔性、空間利用、運(yùn)行安全性以及使用費(fèi)用等方面。
1、可靠度
對(duì)國外十幾家AGV公司27個(gè)系列產(chǎn)品所采用的主要導(dǎo)向技術(shù)的統(tǒng)計(jì)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(shí)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而機(jī)器視覺導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用較少，說明該項(xiàng)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。
2、適應(yīng)能力
適應(yīng)能力是指AGV運(yùn)行時(shí)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(duì)導(dǎo)向技術(shù)的限制。由于不同的導(dǎo)向技術(shù)對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求不同，因此，某種導(dǎo)向方法的實(shí)際應(yīng)用有可能受到限制。
對(duì)于有線式導(dǎo)向技術(shù)，如埋線感應(yīng)、光學(xué)導(dǎo)向和機(jī)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(duì)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(duì)地面的平整程度要求較高。
對(duì)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(yùn)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。
