自動導(dǎo)航車技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及前景展望

蒲寶山， 陳永快， 王 濤， 黃雨燕

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字化研究所，福建福州 350001)

自動導(dǎo)航運輸車(AGV)上裝有自動導(dǎo)引機構(gòu)，能夠引導(dǎo)其沿既定的路徑運行，此外，它能根據(jù)新的指令修正運行路線，從而實現(xiàn)物件的移取功能。近年來，隨著AGV自動化、智能化和柔性化等優(yōu)點的不斷完善，AVG在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1 AGV的發(fā)展簡介

1.1 AGV的出現(xiàn)

1953年，美國Barrett Electric公司制造出世界第1臺基于埋線電磁感應(yīng)跟蹤路徑技術(shù)的AGV，也被稱作無人駕駛牽引車。這種牽引引導(dǎo)技術(shù)的使用一直持續(xù)到20世紀(jì)70年代初。20世紀(jì)70年代中期，AGV開始被應(yīng)用于載貨運輸方面，主要用于自動化倉儲系統(tǒng)(automated storage and retrieval system)和柔性裝配系統(tǒng)(flexible assembly system)的物料運輸[1]。20世紀(jì)80年代初，由于AGV應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，人們開始研究新的引導(dǎo)方式和技術(shù)。

1.2 AGV引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展

直到20世紀(jì)80年代，埋線電磁感應(yīng)引導(dǎo)技術(shù)仍被應(yīng)用于AGV作為引導(dǎo)技術(shù)之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和工作需求領(lǐng)域的擴大，AGV引導(dǎo)技術(shù)趨于多樣化。因此，AGV的性能得到進(jìn)一步提高并能適應(yīng)于更復(fù)雜的工作環(huán)境，應(yīng)用范圍也更為廣泛。目前，AGV引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，根據(jù)引導(dǎo)信息來源的不同，引導(dǎo)方式可分為外導(dǎo)式和內(nèi)導(dǎo)式。外導(dǎo)式引導(dǎo)方式包括電磁引導(dǎo)、標(biāo)線引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、超聲引導(dǎo)、光學(xué)引導(dǎo)等。內(nèi)導(dǎo)式引導(dǎo)方式包括坐標(biāo)識別、自主導(dǎo)航、慣性引導(dǎo)等。外導(dǎo)式引導(dǎo)方式中的超聲引導(dǎo)、激光引導(dǎo)和光學(xué)引導(dǎo)可以稱為標(biāo)志反射法(beacon system)[2]。內(nèi)導(dǎo)式引導(dǎo)方式可以稱為參考位置設(shè)定法(dead reckoning)[3]。根據(jù)AGV引導(dǎo)線路的形式，引導(dǎo)方式又可分為有線式和無線式。其中，有線式引導(dǎo)線路包括電磁線路、色帶線路、標(biāo)線線路、網(wǎng)格線路、磁帶線路等。無線式引導(dǎo)線路包括激光引導(dǎo)、自主導(dǎo)航、坐標(biāo)識別、超聲引導(dǎo)、慣性引導(dǎo)等。上述引導(dǎo)方式所采用的引導(dǎo)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[4]。

2 AGV技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，AGV被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，從需求領(lǐng)域來看，目前我國AGV機器人的需求領(lǐng)域較為集中，主要分布在汽車工業(yè)、家電制造等生產(chǎn)物流端，其中AGV機器人銷售額在汽車工業(yè)領(lǐng)域占比24%，在電子制造領(lǐng)域占比22%。除了在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，AGV開始向商業(yè)行業(yè)推廣應(yīng)用，其中對AGV需求最大的是電商倉儲物流、煙草和3C電子行業(yè)，三者需求量占比分別為15%、15%、13%[5]。

2.1 AGV在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在發(fā)達(dá)國家，物流企業(yè)工廠內(nèi)部早已開始大量使用AGV代替人力。比如，日產(chǎn)的追浜工廠約有900臺AGV被應(yīng)用于工廠內(nèi)部，成功實現(xiàn)了自動化供應(yīng)不同車型零部件及高效率混流生產(chǎn)和快捷物流過程。而TOYOTA在肯塔基Georgetown工廠的廠內(nèi)物流實施了自動牽引車(AGT)和自動化平板車(AGE)改造項目，減少了42名工人，每年節(jié)約成本100多萬美元[6]。在我國AGV也被廣泛地應(yīng)用于物流行業(yè)，成為物流自動化不可缺少的一部分。上海大眾汽車安亭生產(chǎn)基地總裝車間配備了7輛智能型自動牽引小車進(jìn)行裝配物料的輸送，通過AGV物流系統(tǒng)，實現(xiàn)了從卸貨道口上線至流水線工位的全程自動化流轉(zhuǎn)，不僅減少了鏟車的數(shù)量，還降低了裝配工人的體能消耗，提高了效率[7]。上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司車身車間的AVG系統(tǒng)主要用于完成門蓋內(nèi)外板從沖壓庫房到焊接線對應(yīng)工位的搬運[8]。奇瑞捷豹路虎汽車有限公司常熟工廠在配件運輸中大量使用AGV機器人，減少了配送人員數(shù)量，在提升配送效率的同時降低了員工取件時間和拿錯零件的風(fēng)險[9-10]。

除此之外，許多學(xué)者通過對生產(chǎn)實際的分析以及理論上的計算研究，為提高生產(chǎn)效率提供了許多有效的方法。Digani等提出了基于區(qū)域分區(qū)設(shè)計和動態(tài)區(qū)域控制的路徑規(guī)劃方法，在規(guī)避碰撞的同時，實現(xiàn)了AGV在工廠內(nèi)部不同區(qū)域間的負(fù)載平衡[11]。Rezapour等在AGV路徑規(guī)劃過程中，對汽車廠內(nèi)機床布局以循環(huán)的方式進(jìn)行重新設(shè)計，使得AGV調(diào)度路徑最短[12]。侯玲娟等針對不確定需求和時間下的車輛路徑隨機問題，提出了一種帶有自適應(yīng)機制的規(guī)劃模型[13]。

2.2 AGV在電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用

在智能制造時代，AGV機器人越來越受到制造業(yè)的青睞。柔性化程度高、堅固耐用、運轉(zhuǎn)靈活等特點使AGV成為自動化技術(shù)升級的重要核心組成部分。國外AGV生產(chǎn)廠家將目光瞄準(zhǔn)在了3C制造行業(yè)上，3C電子制造行業(yè)具有產(chǎn)品多與雜、更新周期短、系統(tǒng)集成難等特點。激光AGV成為3C裝配自動化的剛性需求。因激光AGV能實現(xiàn)從原料倉到生產(chǎn)線再到成品倉的自動化物料運輸，大大提高了搬運的柔性化程度，且在不改變原有產(chǎn)線的前提下實現(xiàn)了快速部署，形成柔性生產(chǎn)線[14-15]，實現(xiàn)多品種、小批量的生產(chǎn)方式，使得制造業(yè)向工業(yè)4.0時代的智能柔性生產(chǎn)線邁進(jìn)了一步[16]。

激光場景導(dǎo)航AGV小型化、簡單化等特性符合3C電子生產(chǎn)需求，將AGV應(yīng)用到3C電子生產(chǎn)中大大提升了生產(chǎn)效益。在3C電子行業(yè)中已經(jīng)有十多個非常成熟的案例[17]。其中激光AGV自動進(jìn)出電梯的案例得到了行業(yè)的充分認(rèn)可；與現(xiàn)代物流配合實現(xiàn)了柔性搬運、傳輸、點對點自動存取高架箱儲；在手機制造等行業(yè)中，將關(guān)節(jié)機器人和移動AGV相結(jié)合，從而使一臺機器人能夠同時完成多個工位點之間的作業(yè)，進(jìn)而使生產(chǎn)線柔性化程度大大提升[18-20]。

2.3 AGV在倉儲領(lǐng)域的應(yīng)用

在倉儲領(lǐng)域AGV也發(fā)揮著重要作用。貨物出庫為AGV倉儲搬運的第1步，AGV系統(tǒng)在接到訂單后進(jìn)行訂單貨物存儲位置及剩余數(shù)量查詢，通過感應(yīng)器掃描外觀確定是否為目標(biāo)貨物，確認(rèn)后下達(dá)搬運指令，執(zhí)行搬運工作。AGV搬運系統(tǒng)需要在接收到控制終端的執(zhí)行指令后依次進(jìn)行貨物掃描、貨物提取及貨物數(shù)量確定，在固定的傳輸路徑中進(jìn)行貨物傳送工序[21]。AGV智能貨物搬運設(shè)備在智能物流中發(fā)揮了良好的作用，其不僅可被應(yīng)用于倉儲企業(yè)貨物的智能挑選、貨物移動，而且可以在立體貨物儲存庫內(nèi)進(jìn)行自動貨柜轉(zhuǎn)運工作，如亞馬遜的Kiva機器人、阿里的“曹操”倉儲機器人、京東的無人快遞送達(dá)等[22]。針對AGV倉儲搬運貨物時的路徑規(guī)劃，M?hring等研究了AGV行駛的最短路線，同時計算出了可以行駛的所有路徑的距離[23]。Duinkerken等研究了k條路徑的使用情況，根據(jù)使用情況選出無碰撞路徑和最短路徑[24-28]。雷定猷等以最短路徑為主要研究目標(biāo)，結(jié)合任務(wù)優(yōu)先級，總結(jié)出一套基于混合遺傳算法的模型[29]。袁穎河等針對路徑規(guī)劃的多樣性及動態(tài)變化性，以模糊數(shù)學(xué)為理論研究基礎(chǔ)，提出了基于路徑動態(tài)變化的規(guī)劃算法[30]。劉國棟等提出了一種二階段動態(tài)路徑規(guī)劃算法[31]。國內(nèi)外還有很多學(xué)者及專家對AGV路徑規(guī)劃及調(diào)度算法問題進(jìn)行了研究[32-34]。

2.4 AGV在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用

AGV作為現(xiàn)代自動物流系統(tǒng)中物料自動搬運的最佳解決方案，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各卷煙企業(yè)。對于AGV在卷煙廠生產(chǎn)線上的應(yīng)用，國內(nèi)主要集中研究了小車行走路徑和小車運輸能力對車間調(diào)度的影響[35-36]。國外某卷煙廠在卷包機組進(jìn)行新舊更替的同時，對卷包機組的位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以便于改善AGV的路線，減少AGV的行走路程，發(fā)揮出AGV系統(tǒng)運行流暢和高效的優(yōu)勢[37]。而國內(nèi)企業(yè)，湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司長沙卷煙廠自引進(jìn)AGV系統(tǒng)以來，其自動物流系統(tǒng)的信息化、柔性化、節(jié)能化等程度均不斷提高[38-39]。長沙卷煙廠的AGV系統(tǒng)主要用于輔料庫物料輸送、周末與換牌等時間段的剩余物料返庫回收，并兼送機臺廢料桶至垃圾站[38-39]。此外，眾多學(xué)者為提高AGV的工作效率進(jìn)行了許多研究，如張遠(yuǎn)春等以生產(chǎn)線產(chǎn)能最大化為目標(biāo)，以生產(chǎn)工藝、路徑、調(diào)度規(guī)則等為約束條件，建立了以AGV數(shù)量為決策變量的數(shù)學(xué)模型來描述AGV數(shù)量配置問題，針對該問題的復(fù)雜性，提出了基于仿真的優(yōu)化方法[40]；金芳等研究了山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠的AGV運輸系統(tǒng)操作流程，提出運用排隊理論解決AGV路徑規(guī)劃及調(diào)度問題[41]。

2.5 AGV在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著社會科技的發(fā)展以及工作能力和效率相對應(yīng)的提高，AGV的優(yōu)點被逐漸發(fā)掘，被廣泛地應(yīng)用于各種各樣的工作領(lǐng)域中。除了上述幾大應(yīng)用領(lǐng)域外，AGV在郵局、圖書館、港口碼頭、機場、醫(yī)藥、食品、化工、危險場所和特種行業(yè)等領(lǐng)導(dǎo)都起著重要的作用[42-45]。如在郵局、圖書館、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域AGV和智能識別系統(tǒng)結(jié)合將快件、書籍、藥品以及食品分類，另外被應(yīng)用于碼頭集裝箱裝卸以及銜接橋吊作業(yè)和堆場作業(yè)等方面[46]。替代集裝箱拖車的AGV技術(shù)目前成為研究的熱點，AGV正逐漸成為集裝箱自動化碼頭內(nèi)的主要水平運輸工具。此外，AGV在眾多領(lǐng)域仍具有許多可利用的潛能。

3 AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和前景

3.1 AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化科技的發(fā)展，AGV被人們嘗試應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，并且取得不錯的效益。農(nóng)業(yè)機械自主導(dǎo)航在20世紀(jì)20年代開始應(yīng)用，導(dǎo)航方法從早期的機械觸桿導(dǎo)航、預(yù)埋電纜導(dǎo)航等演變?yōu)槿缃駪?yīng)用較多的激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、全球定位導(dǎo)航以及組合導(dǎo)航等[47]。直到20世紀(jì)80年代末90年代初才將視覺導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械自主導(dǎo)航中[48-49]。不同的導(dǎo)航方式有各自的優(yōu)缺點，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)主要是利用攝像機采集農(nóng)田環(huán)境信息，并對采集的信息進(jìn)行處理和分析后提取感興趣區(qū)域(ROI)，然后從ROI提取特征點，并進(jìn)行直線擬合，最終獲取導(dǎo)航參數(shù)，控制系統(tǒng)通過獲取的導(dǎo)航信息，調(diào)整農(nóng)業(yè)機械的行駛狀態(tài)，使機器能夠沿著導(dǎo)航路線行走[50-51]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室將視覺AGV應(yīng)用于溫室盆栽植物自動輸送中，實現(xiàn)了盆栽植物的高效輸送作業(yè)，促進(jìn)了機械化、自動化育種、選種生產(chǎn)的快速發(fā)展[52]。

3.2 AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的前景分析

從AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功例子上可以看出，AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景。AGV視覺導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)作物的生長狀態(tài)做到完美監(jiān)控；解決農(nóng)場果蔬采摘后因勞動力問題無法將新鮮果蔬及時運送至保鮮庫，導(dǎo)致果蔬在采摘后品質(zhì)變差問題；解決生產(chǎn)過程中自動化和效率性問題，如將育苗床上的新苗運載到相應(yīng)培養(yǎng)基，各種生產(chǎn)材料、工具配送到目的地等。農(nóng)業(yè)設(shè)施自動化應(yīng)用已成為一種發(fā)展趨勢，特別是在人工勞動力成本不斷加大以及過度依賴勞力而引發(fā)的一些滯后性問題的解決上。結(jié)合AGV的發(fā)展趨勢以及國內(nèi)外的應(yīng)用情況，將AGV系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)場領(lǐng)域，可以進(jìn)一步促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)場轉(zhuǎn)型發(fā)展，解決勞動力成本較高的問題，降低工人勞動強度，改善農(nóng)場自動化生產(chǎn)管理水平，提高農(nóng)場生產(chǎn)效率等。因此，AGV在現(xiàn)代農(nóng)場中的應(yīng)用問題逐漸得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

4 AGV在國內(nèi)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用所存在的問題與建議

4.1 存在的問題

目前國內(nèi)AGV應(yīng)用技術(shù)還處于初級階段，核心技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟，關(guān)鍵元器件還需進(jìn)口，生產(chǎn)廠商僅僅只能算是集成商，AGV技術(shù)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)。從AGV市場需求角度來看，有一定的加速態(tài)勢，發(fā)展勢頭較好。因此更需要廣闊的市場發(fā)展空間和技術(shù)發(fā)展空間來滿足AGV的發(fā)展勢頭。但是目前國內(nèi)的市場需求相對較小，使得AGV的銷售存在一定問題，從而會在一定程度上影響到AGV技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致我國AGV技術(shù)發(fā)展緩慢。

我國農(nóng)業(yè)自動化還不夠普及。農(nóng)業(yè)自動化不夠普及導(dǎo)致農(nóng)戶對自動化產(chǎn)品接觸較少，對AGV的了解更少。前期較高的投入和不可預(yù)估的經(jīng)濟(jì)效益收入使得自動化意識較低的農(nóng)戶較難以接受AGV技術(shù)，因此農(nóng)戶對AGV的引進(jìn)和使用較少。

使用成本與前期投入較高，對小規(guī)模農(nóng)業(yè)農(nóng)戶來說難以接受。尤其對于我國南方地區(qū)農(nóng)業(yè)，大多數(shù)是小家小戶型農(nóng)業(yè)，大農(nóng)場數(shù)量相對較少。對于大多數(shù)小農(nóng)戶來說，AGV性價比較低。這也是目前AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不能普及應(yīng)用的主要原因之一。

AGV的使用與應(yīng)用技術(shù)受溫室環(huán)境影響較大。AGV自動導(dǎo)航系統(tǒng)需要在一定的條件下才能完成工作任務(wù)，植物在生長過程中的變化會對AGV路線產(chǎn)生一定的干擾。溫室中潮濕的環(huán)境對某些特定引導(dǎo)方式的AGV路線精準(zhǔn)度會有一定的影響。

4.2 解決問題的幾點建議

引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時，需要消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)與工藝。根據(jù)我國溫室現(xiàn)實需求，對引進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)改造，升級成適合國內(nèi)使用的AGV產(chǎn)品。借鑒其他領(lǐng)域AGV成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合農(nóng)場的需求現(xiàn)狀，對核心技術(shù)不斷地進(jìn)行提升和改造，并進(jìn)一步推廣應(yīng)用于農(nóng)場中。

進(jìn)一步提升對農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備發(fā)展的相關(guān)政策扶持力度。一方面對農(nóng)戶購置農(nóng)業(yè)設(shè)備進(jìn)行一定程度的補貼，同時減少農(nóng)業(yè)設(shè)施的購置稅收，降低消費者購買設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壓力。另一方面加強對農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的宣傳，提升農(nóng)民的農(nóng)業(yè)自動化意識，同時政府應(yīng)加大對設(shè)施設(shè)備的科研開發(fā)力度，普及適用于我國溫室農(nóng)場的AGV技術(shù)。

注重從業(yè)人員的實際技能培訓(xùn)，提高從業(yè)人員的技能與素質(zhì)培養(yǎng)。我國與農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距本質(zhì)是人才的差距，政府和農(nóng)業(yè)有關(guān)職能部門應(yīng)重視人才隊伍的培養(yǎng)，尤其是懂農(nóng)機與農(nóng)藝的復(fù)合型人才以及溫室綜合性管理人才的發(fā)展和培養(yǎng)。

5 總結(jié)

隨著自動導(dǎo)航運輸車(AGV)的發(fā)展，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴大，解決了生產(chǎn)過程中勞動力不足、效率低、不夠精準(zhǔn)等問題。同時，AGV在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景。我國應(yīng)加大農(nóng)業(yè)設(shè)施的應(yīng)用和發(fā)展步伐，引進(jìn)和吸收國外先進(jìn)的AGV技術(shù)，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，合理地將其推廣至農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，充分利用AGV的潛在價值，推動我國溫室設(shè)施裝備自動化的發(fā)展。