乘用車制造企業(yè)停車場(chǎng)導(dǎo)入AGV的可行性分析

AGV（Automated Guided Vehicle）是一種自動(dòng)化、無(wú)人駕駛的智能化搬運(yùn)設(shè)備。隨著信息技術(shù)及智能控制的發(fā)展，煙草、電商、汽車制造、制藥等越來(lái)越多的行業(yè)開始在物流運(yùn)作中引入AGV，并以此代替人工，從而有效解決作業(yè)效率的問題。在重載AGV方面，2015年以來(lái)，室內(nèi)泊車AGV、碼頭集裝箱AGV、機(jī)場(chǎng)AGV等也都陸續(xù)出現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)用的案例。

對(duì)于乘用車制造企業(yè)而言，每天都有大量的商品車搬運(yùn)作業(yè)，對(duì)AGV也有著更為緊迫的需求，但受技術(shù)限制和AGV產(chǎn)品成本的影響，目前仍未出現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的案例。本文將以南方某車企為背景，主要探討車企商品車停車場(chǎng)關(guān)于AGV的技術(shù)需求和實(shí)現(xiàn)路徑。

一、停車場(chǎng)AGV應(yīng)用的必要性分析

1.停車場(chǎng)運(yùn)作模式介紹（圖1）

國(guó)內(nèi)車企的商品車停車場(chǎng)一般都是平面停車場(chǎng)，本文所述案例的停車場(chǎng)規(guī)劃庫(kù)位為2800臺(tái)，每3～4臺(tái)為一列橫向并排停放，每日對(duì)應(yīng)工廠下線商品車為2000臺(tái)左右，日均工作時(shí)間約16～20小時(shí)。

商品車的搬運(yùn)分為兩個(gè)階段：一是下線入庫(kù)搬運(yùn)，作業(yè)人員將商品車由總裝車間搬運(yùn)至停車場(chǎng)庫(kù)區(qū)，并隨小巴返回至總裝車間，6～8人/組，往返循環(huán)；二是出庫(kù)搬運(yùn)，將商品車由停車場(chǎng)庫(kù)區(qū)搬運(yùn)至拖車裝車點(diǎn)，6～8人/組，往返循環(huán)。

為了保障停車場(chǎng)的運(yùn)作，車場(chǎng)從事搬運(yùn)的作業(yè)人員為70人。

2.人工搬運(yùn)面臨的新問題

當(dāng)前，停車場(chǎng)采用人工搬運(yùn)主要面臨兩個(gè)方面的問題：一是隨著人工費(fèi)用逐年上升，場(chǎng)內(nèi)運(yùn)作成本越來(lái)越高。通過對(duì)案例車場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)，人工支出約占車場(chǎng)運(yùn)作成本的80%，與2010年對(duì)比，10年間車場(chǎng)的運(yùn)作成本上升了120%；二是采用固定搬運(yùn)人員的方法無(wú)法滿足日漸彈性的業(yè)務(wù)需求，比如以下情況：①銷售市場(chǎng)的變化以及品質(zhì)異常帶來(lái)的作業(yè)量波動(dòng)；②南方的暴雨和夏天的高溫，都會(huì)造成搬運(yùn)效率下降；③多式聯(lián)運(yùn)模式的發(fā)展，需要車場(chǎng)能夠?qū)?yīng)每周7天的發(fā)車。

如果能夠在商品車停車場(chǎng)導(dǎo)入AGV，則能夠有效解決上述問題。

二、目前泊車AGV發(fā)展的介紹

1.導(dǎo)航模式

圖1 車企商品車停車場(chǎng)運(yùn)作模式

圖3 臺(tái)板型AGV

圖4 星航機(jī)電潛入牽引式夾輪型AGV

從導(dǎo)航方式上看，目前泊車AGV常用的主要有磁釘導(dǎo)航、激光SLAM導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和差分GPS導(dǎo)航等。

（1）磁釘導(dǎo)航

磁釘導(dǎo)航是利用在地面布置磁釘實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的方法。這種導(dǎo)航方式的定位精度與磁釘?shù)拿芏戎苯酉嚓P(guān)，精度要求越高，磁釘就會(huì)布置得越密集。

（2）激光SLAM導(dǎo)航

SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）即同步定位及建圖，這種導(dǎo)航是指讓AGV在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)自身攜帶的傳感器和對(duì)周圍環(huán)境的感知進(jìn)行自身定位，同時(shí)構(gòu)建環(huán)境地圖。激光SLAM導(dǎo)航不需要預(yù)先鋪設(shè)任何軌跡，方便導(dǎo)航路線的更改，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障。此技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是AGV定位精確，行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，缺點(diǎn)是制造成本高，對(duì)環(huán)境要求相對(duì)苛刻（如外界光線、中間無(wú)遮擋、能見度等要求）。

（3）慣性導(dǎo)航

INS（Internal Navigation System）即慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，多用于航空航天。它是利用慣性元件（加速度計(jì)和陀螺儀）來(lái)測(cè)量運(yùn)載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運(yùn)算得到速度和位置，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)載體導(dǎo)航定位的目的。慣性導(dǎo)航可不按固定路線行駛，適用于任何氣候條件，且數(shù)據(jù)更新頻度高、短期精度和穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)是產(chǎn)品成本很高，AGV引導(dǎo)的精度和可靠性，與陀螺儀的制造精度相關(guān)，定位誤差隨時(shí)間而增大，長(zhǎng)期精度差。

（4）差分GPS導(dǎo)航

GPS（Global Position System）導(dǎo)航是目前非常通用的導(dǎo)航方式，由于GPS 數(shù)據(jù)可靠性不高，在AGV行走過程中，可能發(fā)生GPS數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致車輛自身失去方向，故可采用與其他方式組合輔助完成導(dǎo)航進(jìn)程，比如實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)（Real-time kinematic，RTK）。RTK GPS是由一個(gè)GPS 基站和移動(dòng)站的數(shù)據(jù)差分完成的，定位精度高達(dá)厘米級(jí)，因而在無(wú)人車的導(dǎo)航中已獲得廣泛應(yīng)用。

2.車輛的交換模式

從AGV與商品車接觸的方式上，目前有“梳齒型”、“臺(tái)板型”、“夾輪型”等三種形式。

（1）梳齒型

所謂“梳齒”，就是擁有多個(gè)齒隙的類似金屬梳子的裝置。梳齒型AGV（圖2）的工作方式為：內(nèi)梳齒固定，外梳齒設(shè)置在AGV上，搬運(yùn)器利用梳齒間隙，通過AGV上下升降移動(dòng)實(shí)現(xiàn)梳齒的交叉換位，從而實(shí)現(xiàn)車輛的搬運(yùn)交接。每個(gè)車位都設(shè)有固定的梳型架，出入口停車平臺(tái)也需設(shè)置停車梳型架。

（2）臺(tái)板型

臺(tái)板型（圖3）是立體車庫(kù)中應(yīng)用較為廣泛的一種轎車搬運(yùn)方式。該AGV工作方式為：汽車停放在臺(tái)板上，AGV鉆入臺(tái)板底下舉升臺(tái)板，然后把轎車和臺(tái)板一同運(yùn)載到指定位置上。此種類型的AGV需要每個(gè)停車位上配置臺(tái)板，并且因?yàn)樾枰嫒】张_(tái)板，搬運(yùn)效率相對(duì)較低。

（3）夾輪型

夾輪型AGV是通過夾持機(jī)構(gòu)抬起轎車輪胎實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。夾輪型從夾持機(jī)構(gòu)與轎車的位置關(guān)系也分為三種：一種是潛入牽引式（圖4），即AGV夾輪機(jī)構(gòu)潛入車底打開機(jī)械手，固定車輪后抬升，由牽引車頭驅(qū)動(dòng)實(shí)施搬運(yùn)；第二種是環(huán)抱式（圖5），即AGV呈U型框架結(jié)構(gòu)，運(yùn)作時(shí)，轎車被AGV框架包圍，夾持機(jī)構(gòu)設(shè)置在AGV車體框架中；第三種是滾筒式（圖6），即通過滾筒的作用，將商品車移動(dòng)到機(jī)構(gòu)中，夾輪胎固定后實(shí)施搬運(yùn)。

圖5 杜塞爾多夫機(jī)場(chǎng)使用的 RAY夾輪型AGV

圖6 深圳怡豐滾筒式夾輪型AGV示意圖

三、商品車停車場(chǎng)AGV的技術(shù)需求

車企商品車停車場(chǎng)與室內(nèi)泊車有著相同的搬運(yùn)對(duì)象，對(duì)載重、定位精度、避障能力、安全保護(hù)等基本需求是一致的，但因?yàn)樯唐奋囃＼噲?chǎng)的運(yùn)作環(huán)境更為復(fù)雜，搬運(yùn)頻度也更高，因此有以下更加苛刻的使用要求：

需求①：車場(chǎng)改造少

提出車場(chǎng)改造少的原因主要是基于三個(gè)方面的考慮：一是較少的成本投入；二是在AGV車輛和系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，為了不影響工廠生產(chǎn)下線，能迅速切換到人工對(duì)應(yīng)模式；三是便于今后布局規(guī)劃的調(diào)整。

需求②：使用環(huán)境要求高

商品車停車場(chǎng)多為露天環(huán)境，需要在任何天氣情況下都能運(yùn)作，包括臺(tái)風(fēng)、暴雨、霧霾、高溫、高濕等極端環(huán)境。

需求③：通過性好

本案例車場(chǎng)的庫(kù)位為5.3m×2.6m；通道寬度7m，車場(chǎng)有一定的沉降，最大坡度5°；要求AGV能夠在載有商品車的情況下正常通過，因此AGV轉(zhuǎn)彎半徑要盡可能小，最好能實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。所謂全向運(yùn)動(dòng)，是指可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、平移、橫移、原地掉頭、任意方向斜行等多種運(yùn)動(dòng)方式。

需求④：高強(qiáng)度作業(yè)

要求AGV能對(duì)應(yīng)生產(chǎn)線的稼動(dòng)，單臺(tái)連續(xù)作業(yè)至少8～10個(gè)小時(shí)，所以要求電池的持續(xù)使用時(shí)間在10個(gè)小時(shí)以上。

需求⑤：控制系統(tǒng)要求高

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、車輛管理和交通管理。車場(chǎng)面積大，投入的AGV很多，當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)AGV 同時(shí)工作時(shí)，調(diào)度問題就變得非常復(fù)雜，而且對(duì)應(yīng)車場(chǎng)4臺(tái)/列的停放，經(jīng)常會(huì)有從中間拔取1臺(tái)商品車的作業(yè)需求，這就要求多機(jī)聯(lián)合作業(yè)，良好的控制系統(tǒng)可使各臺(tái)AGV之間緊密協(xié)作，大大提升系統(tǒng)效率，減少運(yùn)行成本。

需求⑥：行駛速度高

導(dǎo)入AGV，企業(yè)要看到經(jīng)濟(jì)效益。因此，導(dǎo)入AGV的產(chǎn)品成本和使用成本要低于目前使用人工搬運(yùn)的模式。拋開導(dǎo)入AGV后的使用成本，目前僅AGV的產(chǎn)品投資其實(shí)已非常昂貴（參考寧波新松機(jī)器人科技有限公司的資料，一臺(tái)10t負(fù)載的AGV生產(chǎn)成本在50～70 萬(wàn)元之間）。在單臺(tái)AGV成本一定的情況下，運(yùn)行速度越高，則投入的AGV數(shù)量就越少。以怡豐自主研發(fā)的滾筒式停車AGV為例，其最大速度可達(dá)1.7m/s，雖然這一速度在泊車AGV里已經(jīng)很高，但試想如果能達(dá)到現(xiàn)有人工搬運(yùn)的速度，即4.2m/s左右，就可以減少60%的機(jī)器投入。

四、車企商品車停車場(chǎng)AGV的可行性探討

對(duì)應(yīng)前文所述的使用要求，下面分析一下商品車停車場(chǎng)AGV的可行技術(shù)路徑。

1.導(dǎo)航技術(shù)角度

上文介紹過，適合室外應(yīng)用的導(dǎo)航方式有磁釘導(dǎo)航、激光SLAM導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和差分GPS導(dǎo)航。為避免商品車損傷，無(wú)論采用“梳齒型”、“臺(tái)板型”、“夾輪型”中的任何一種，均需要實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度?？紤]到投入成本，以及車場(chǎng)布局的變化需求，首先排除磁釘導(dǎo)航的模式。

激光SLAM導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航都能滿足靈活多變的條件，但它們也有各自缺陷，激光SLAM導(dǎo)航無(wú)法滿足室外極端氣候環(huán)境的要求；慣性導(dǎo)航不受氣候條件限制，但使用較長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生精度問題。GPS導(dǎo)航在室外導(dǎo)航中，由于建筑物的遮擋會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效，在短時(shí)間內(nèi)，可以采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，但是由于慣性導(dǎo)航隨著時(shí)間增加輸出誤差較大，在遮擋物面積較大時(shí)，不適合使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行輔助導(dǎo)航。對(duì)于這種情況，選用里程計(jì)作為導(dǎo)航的主要輔助設(shè)備，在GPS丟失時(shí)，系統(tǒng)導(dǎo)航自動(dòng)切換到里程計(jì)數(shù)據(jù)上。里程計(jì)是借助于車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)直接測(cè)量載體在地面行駛的路程，因此里程計(jì)適合于高精度的組合導(dǎo)航應(yīng)用。

表1 從技術(shù)需求滿足角度評(píng)價(jià)各類型AGV

單一的導(dǎo)航方式都可能存在風(fēng)險(xiǎn)，為了提高冗余度，AGV導(dǎo)航最好的方案是采用“激光SLAM+差分GPS+慣導(dǎo)+里程計(jì)”等多傳感器融合的導(dǎo)航方式，即以車輪速度和轉(zhuǎn)角推算車體里程信息為導(dǎo)航主要方式，差分GPS+慣導(dǎo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)或激光SLAM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)AGV高精度高可靠性航位推算，實(shí)現(xiàn)全天候全工況下的厘米級(jí)定位需求。

2.車輛交換模式

從車輛交換模式角度分析，因?yàn)楦黝愋虯GV的具體參數(shù)很多是可調(diào)整的，我們僅從技術(shù)需求絕對(duì)無(wú)法滿足的角度來(lái)進(jìn)行淘汰分析。具體見表1。

首先，梳齒型AGV和臺(tái)板型AGV都屬于有介質(zhì)停車，即搬運(yùn)、存儲(chǔ)汽車，都需要在除AGV車體外的其他輔助介質(zhì)幫助下完成，這無(wú)法滿足“需求①”即車場(chǎng)改造少的前提。而且臺(tái)板型AGV抬升高度有限，無(wú)法對(duì)應(yīng)較大的坡度，通過性受到影響。因此，梳齒型AGV和臺(tái)板型AGV都不是車企停車場(chǎng)AGV的技術(shù)方向。

接下來(lái)看夾輪型的三款A(yù)GV：（1）潛入牽引式AGV結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能適用于復(fù)雜的工作環(huán)境，但因?yàn)樗怯蔂恳囶^驅(qū)動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑過大（8m以上），無(wú)法滿足通過性的要求。（2）滾筒式AGV導(dǎo)入了獨(dú)立的滾筒機(jī)構(gòu)，這可以減少對(duì)夾臂的承重要求，但是滾筒機(jī)構(gòu)的高度僅有110mm，通過性方面會(huì)受到影響，而且在車場(chǎng)遇到暴雨有積水的情況下，滾筒機(jī)構(gòu)的電機(jī)和傳感器的工作都可能會(huì)受到影響。（3）環(huán)抱式AGV能滿足上述所有技術(shù)需求，成為可行的技術(shù)路徑。

環(huán)抱式AGV盡管在技術(shù)上能滿足需求，但也有自身的缺點(diǎn)。環(huán)抱式AGV把電池和夾輪機(jī)構(gòu)都放置在環(huán)抱的車體中，所以它的外觀尺寸會(huì)比其他AGV大。從環(huán)抱AGV的U型框架進(jìn)入的方向上（相對(duì)于商品車）進(jìn)行區(qū)分，有側(cè)向環(huán)抱和正向環(huán)抱兩種方式。

前文圖5中的杜塞爾多夫機(jī)場(chǎng)使用的RAY夾輪AGV，是采用側(cè)向進(jìn)入的方案。這種方案會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問題：一是使用這種AGV，車場(chǎng)必須采用商品車車頭與通道方向平行的布局，在發(fā)生異常轉(zhuǎn)為人工作業(yè)時(shí)，無(wú)法進(jìn)行中間位停放和拔取作業(yè)；二是車場(chǎng)利用率降低。一般在庫(kù)位設(shè)計(jì)時(shí)，需要為打開車門設(shè)置一定的空間，所以橫向會(huì)保留較多距離。以本案例的車場(chǎng)為例，車位尺寸是5.3m×2.6m，假如最大的對(duì)象商品車尺寸為5m×2m，正常停放時(shí)，前車尾與后車頭的距離是300mm，左右并排車門之間的距離為600mm。如果是側(cè)向進(jìn)入，則AGV兩側(cè)車體框架的寬度必須要小于前車頭與后車尾之間的距離，考慮到安全性，起碼要控制在15mm以下，這樣的寬度顯然是無(wú)法容納舵輪機(jī)構(gòu)的。為此，如果要引入側(cè)向AGV，則需要對(duì)車場(chǎng)布局進(jìn)行改動(dòng)，增加前后車之間的距離，這必然會(huì)降低車場(chǎng)的利用率。因此，只有正向進(jìn)入的模式才是最可行的方向。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，面向車企商品車停車場(chǎng)的使用需求，在進(jìn)行較少車場(chǎng)改造的前提下，泊車AGV要能面對(duì)復(fù)雜的氣候環(huán)境、具有較好的通過性、較長(zhǎng)的使用時(shí)間，可進(jìn)行多機(jī)協(xié)同作業(yè)，并以較快速度行駛，因此采用“激光SLAM+差分GPS+慣導(dǎo)+里程計(jì)”多傳感器融合導(dǎo)航方式的正向環(huán)抱式夾輪型AGV成為可行的技術(shù)路徑。當(dāng)然，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，需要解決單品AGV成本和控制系統(tǒng)開發(fā)成本較高的問題。隨著AI技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，這個(gè)課題應(yīng)該很快會(huì)得到解決，相信不久的將來(lái)，越來(lái)越多的車企商品車停車場(chǎng)、區(qū)域中轉(zhuǎn)庫(kù)、滾裝船碼頭等都將會(huì)看到室外泊車AGV的應(yīng)用。