吉林大學交通學院    作者:儲江偉  郭克友  王榮本  李 斌  馮炎
自動導向車(AGV)是采用自動或人工方式裝載貨物，按設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。自動導向車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準時化的要求，與自動導向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構成自動導向車系統(tǒng)(AGVS)才能真正發(fā)揮作用。
    計算機硬件技術、并行與分布式處理技術、自動控制技術、傳感器技術以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷發(fā)展，為AGV的研究與應用提供了必要的技術基礎。人工智能技術如理解與搜索、任務與路徑規(guī)劃、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術的發(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、機械設計和電子技術等多個學科，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，但仍有多項關鍵技術還有待提高和突破，以進一步提高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)任務需求并按照一定的導向方式，完成相應的物料運輸任務。因此，導向與控制方式是其核心問題。
1  發(fā)展、應用與特點
1.1發(fā)展與應用
    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方式跟蹤路徑的自動導向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。20世紀60年代和70年代初，AGV仍采用這種導向方式。但是，20世紀70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應用并被引入到美國。這些自動導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70年代和80年代初，AGV的應用領域擴大而且工作條件也變得多樣化，因此，新的導向方式和技術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被廣泛地應用于各個領域。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備組成柔性生產(chǎn)線。例如，自動導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，構成整車柔性裝配生產(chǎn)線。最近，小型AGV應用更為廣泛，而且以長距離不復雜的路徑規(guī)劃為主。AGV從僅由大公司應用，正向小公司單臺應用轉變，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80年代中期，57％的AGV用于汽車制造業(yè)，而在西德則高達64％。從表1可以看出，汽車制造業(yè)仍然是AGV的主要應用領域。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在我國的研究及應用起步較晚。20世紀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，清華大學國家CIMS工程中心將從國外引進的AGV成功地應用于EIMS的實驗研究；清華大學計算機技術應用系研制了用于郵政中心的AGV；昆明航舶設備研究所研制了激光導向式AGV以及吉林工業(yè)大學智能車輛課題組為汽車裝配線研制了視覺導向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。而且某些導向方式的線路變更十分方便靈活，設置成本低。
(2) 工位識別能力和定位精度高，具有與各種加工設備協(xié)調工作的能力。在通訊系統(tǒng)的支持和管理系統(tǒng)的調度下，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構和裝卸方式，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)域內設置。與傳統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)在車間內固定設置且不易變更相比，該物流系統(tǒng)的設置柔性強，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  導向方法與技術
AGV的導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80年代，埋線電磁感應導向技術仍然只是可選擇的導向技術之一。隨著電子技術的發(fā)展，以及AGV導向技術的多樣化和導向方式的多元化，使AGV的性能進一步提高并能適應更復雜的工作環(huán)境，應用也更為廣泛。
2.1  導向方法
如表2所示，根據(jù)AGV導向信息的來源，導向方式可分為外導式和內導式。前者是指在車輛運行路徑上設置導向信息媒體(如帶有變頻感應電磁場的導線、磁帶或色帶等)，由車上的傳感器檢測導向信息的特性(如頻率、磁場強度、光強度等)，再將此信息經(jīng)過處理，控制車輛沿導向路線行駛。后者是指在車輛上預先設定運行路徑坐標，在車輛運行中實時檢測車輛當前位置坐標并與預先設定值相比較，控制車輛的運行方向，即采用所謂的坐標定位原理。另外，根據(jù)AGV導向線路的形式，導向方式又可分為有線式和無線式。外導式中的超聲導向、激光導向和光學導向可以稱為標志反射法，內導式方法可以稱為參考位置設定法。
表2 AGV的導向方法
分類
按信息的來源  按線路的形式

方式
外導式  有線式
方法
電磁導向  坐標識別  電磁線路  超聲導向
超聲導向
慣性導向  磁帶線路  激光導向
激光導向
自主導航  色帶線路  坐標識別
光學導向
網(wǎng)格線路  慣性導向
標線導向
標線線路  自主導航
2.2  導向技術
  在上述各種導向方法中，所采用的導向技術主要有電磁感應技術、激光檢測技術、超聲檢測技術、光反射檢測技術、慣性導航技術、圖像識別技術和坐標識別技術等。
2.2.1  電磁感應技術
    在AGV運行路徑上，開設1條寬5mm、深約15mm的敷線槽，并將導線通以5～30kHz的交變電流形成沿導線擴展的交變磁場。車上對稱設置2個電磁傳感器，利用電磁感應原理，通過檢測電磁信號的強度，引導車輛沿埋設的路線行駛。其工作原理見圖1。    
圖1  電磁導向方式的工作原理
    電磁導向分單頻制和多頻制導向。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。這種方式要求設置集中控制站，并在各線路的交叉和分支處裝設傳感標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接收到相應頻率的電磁信號時才能運行。此導向方法可靠性高，但是對地面的平整度要求高，改變運行路徑困難。
    除變頻電磁感應埋線導向外，還有磁場強度固定的磁帶和磁釘導向方式，其導向原理也是通過車上對稱設置的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車輛。
2.2.2激光檢測技術
    AGV實時接收固定設置的3點定位激光信號，通過計算測定其瞬時位置和運行方向，然后與設定的路徑進行比較，以引導車輛運行，其工作原理見圖2。激光檢測技術的導向與定位精度較高，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雜，位置計算也復雜。
2.2.3光學檢測技術
采用光學檢測技術引導AGV的運行方向，一般是在運行路徑上鋪設1條具有穩(wěn)定反光率的色帶。車上設有光源發(fā)射和接收反射光的光電傳感器，通過對檢測到的信號進行比較，調整車輛的運行方向，其工作原理見圖3。
2.2.4超聲檢測技術
    超聲檢測技術是利用墻面或類似物體對超聲波的反射信號進行定位導向，因而在特定的環(huán)境下可以提高路徑的柔性。同時由于不需要設置反射鏡面，也降低了導向成本。但是，當運行環(huán)境的反射情況比較復雜時，應用還十分困難。
2.2.5慣性導航技術
    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前位置，通過與已知的地圖路線進行比較來控制AGV的運動方向和距離，從而實現(xiàn)自動導向。
2.2.6  圖像識別技術
    采用圖像識別技術有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)庫中的信息進行比較，從而確定當前位置及對繼續(xù)運行路線做出決策。這種方法不要求設置任何物理路徑，因此，在理論上是最佳的柔性導向。但實際應用還存在問題，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條標識明顯的導向標線，利用CCD系統(tǒng)動態(tài)攝取標線圖像并識別出AGV相對于標線的方向和距離偏差，以控制車輛沿著設定的標線運行。
2.2.7坐標檢測技術
    采用微型電子坐標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，即不能確定當前位置。因此，需要采用雙坐標傳感器進行定位，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。當車輛運行到C點時，可以測出2個坐標傳感器分別相對于A、B點的角度α和β利用三角測量原理，由A點的坐標可以計算出C點的位置為x=ytgα    
y=L/(tgα+ctgβ)
    利用坐標傳感器可以實現(xiàn)AGV沿預先規(guī)劃的路徑運行。但是微型電子坐標傳感器受電磁場的干擾較大。因此，遠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)品所采用的主要導向技術的統(tǒng)計結果顯示，電磁感應、慣性導航、光學檢測、位置設定、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，電磁感應導向技術的應用比例最高，這表明該項技術已經(jīng)十分成熟。而機器視覺導向技術應用較少，說明該項技術還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導航技術仍然處在研究階段，還有許多技術問題需要解決。
3.2  適應能力
    適應能力是指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向技術的限制。由于不同的導向技術對應用環(huán)境的要求不同，因此，某種導向方法的實際應用有可能受到限制。
    對于有線式導向技術，如埋線感應、光學導向和機器視覺等，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向技術而言，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。
    慣性導向和坐標識別導向技術對運行環(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，但不同的導向技術其路徑柔性有很大差別。無線式導向方法可以在很短的時間內改變運行路徑，其中有些方法只需改變控制軟件實現(xiàn)運行路徑的變更。而有線式導向方法的路徑柔性相對較差，其中電磁感應埋線導向技術導向路徑的變更最困難，成本較高。
3.4  運行速度
    AGV的運行速度受導向技術的影響很大，主要取決于對導向路徑識別的實時性。所采用的導向技術對路徑的識別能力(如檢測精確性、實時性和抗干擾性等)直接影響運行速度。有線式導向方法識別路徑的速度快、實時性好，而無線式導向方法相對較差。
3.5  導向穩(wěn)定程度
    導向穩(wěn)定程度是指為使AGV沿著規(guī)定的路線行駛單位時間內進行糾偏轉向控制的次數(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行轉向控制，引起車輛沿曲線運動，導致車輛擺動，甚至轉向振蕩。一般來講，有線式導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應能在所要求的工位或貨位上與自動裝卸機構準確對接。定停精度是一項重要的技術指標。

    定停精度受導向技術的直接影響并且和控制技術相關。用標線圖像識別技術不僅能識別路徑標線，而且還可以識別停車標識信息，一次柔性定停精度可以達到土5 mm。電磁感應埋線式導向技術的一次柔性定停精度為土20mm，而采用其他導向技術時，一般需要輔以二次剛性定位措施才能達到定停精度的要求。
3.7  信息容量
    任何一種導向技術都以能獲取定位信息為前提，但不同的導向技術所獲取的相關信息的容量有很大差別。采用圖像識別技術不僅可以獲得路徑信息，而且還可以獲得工位編碼，加速、減速和停車標識等控制信息，獲取的信息容量大，可提高路徑導向及控制柔性。
3.8  技術成本
    導向技術的技術成本包括2個方面，即制造成本和使用費用。一般來講，無線式導向方法的制造成本較高，而有線式導向方法的使用費用較高。
4  結束語
    AGV是工廠及倉儲物料搬運自動化的主要裝備之一，而導向技術決定著由AGV組成的物流系統(tǒng)的柔性。在本文所述的各種導向技術中，電磁感應埋線式導向技術最成熟，使用可靠；無線式導向技術成本較高，但路徑設置和變更簡單方便，使用費用低；有線式導向技術對地面的平整和清潔程度要求較高，其中電磁感應埋線式導向技術的路徑設置和變更復雜，使用費用高；標線圖像識別技術所能獲取的信息容量大，路徑設置和變更簡單方便，導向控制柔性好，定停精度高，是一種具有廣泛應用前景的導向技術。