自動導向車AGV開發(fā)技術綜述與展望

閔四宗，祖基龍，劉家昶

廣州普華靈動機器人技術有限公司 廣東廣州 510630

Automated Guided Vehicle簡稱AGV，是一種利用電磁或光學感應來引導的無人駕控的移動工具小車。最早由美國Barrett電子公司于20世紀50年代初開發(fā)成功，經(jīng)過60多年的發(fā)展，隨著電子技術及計算機技術的不斷發(fā)展，AGV也不斷朝著小型化、模塊化及智能化發(fā)展，特別在德國于2013年提出以“智能工廠”“智能生產(chǎn)”及“智能物流”為三大主題的工業(yè)4.0，AGV更是高速發(fā)展，原因在于AGV是其中智能物流里很重要的物流銜接一環(huán)。所有這一切讓AGV研發(fā)與應用正處在一條加速上升的通道，AGV已成為了我國機器人產(chǎn)業(yè)的一個很重要的組成部分。Logistics IQ調研報告提出到2027年，AGV和AMR（Autonomous Mobile Robot自主移動機器人）市場將超過180億美元，AGV和AMR的增長率分別約為24%和43%，涵蓋所有傳統(tǒng)和新應用領域，如物流、制造、醫(yī)療保健、運輸、消毒、零售和庫存管理，安全和檢查，農(nóng)業(yè)、醫(yī)院援助、室內和室外交付，清潔、遠程存在和遠程操作，以及數(shù)據(jù)平臺和遙感。

基于這樣的背景，各種傳統(tǒng)的、新興的技術都已經(jīng)正在或將要在AGV的應用領域研究與應用。這主要涉及兩方面的技術：電控技術及機械結構技術。

電控技術

1.定位和導航導引技術

AGV的導航引導方式呈現(xiàn)出多樣性，主要分為磁導航、光學導航、激光導航、視覺導航、GPS導航和慣性導航等。根據(jù)AGV的導引線路的形式，又可分為固定路徑導引方式和自由路徑導引方式。目前應用最廣的是基于磁導航與光學導航的固定路徑導引方式?；诩す饣蛞曈X導航的AMR是未來趨勢，其具有優(yōu)良的適應性，這是應用類似于無人駕駛導航技術的移動小車，但受限于目前技術的發(fā)展，還在研發(fā)應用的前期。

2.線控技術

源于航空的線控技術，目前在新能源汽車應用中發(fā)展快速，AGV天然地必須采用線控技術。AGV從整體上看就是精簡版的電動汽車，由于功能上簡化了很多，其線控系統(tǒng)也是簡單很多，大體與電動汽車的電氣架構中的車輛控制相當。電動汽車的線控架構目前的趨勢是向中心化、集成化發(fā)展，遠景是上云端。AGV目前基于的控制器有PLC、工控機和MPU（微處理器）三種類型，現(xiàn)在應用最多是基于PLC的應用。隨著應用場景的復雜度、智能化要求的提高及成本考慮，未來很大概率會跟隨電動汽車的發(fā)展方向，從分布式電氣架構趨向于性價比更高的集中式電氣架構。要達到這一點就要加大集成控制器的研發(fā)，甚至電動機驅動也集成在主控制器里或者與電動機集成在一起。這種集成最大的優(yōu)勢是根據(jù)本公司產(chǎn)品的特點進行功能的優(yōu)化與整合，去除無必要的冗余，減少了接口，具備較好的成本優(yōu)勢，也提高了可靠性。但對線纜要求會有所提高，包括長度增加及走線分布。

3.路徑跟蹤與運動控制

目前應用較多的仍然是采用基于誤差反饋的閉環(huán)控制策略來消除系統(tǒng)跟蹤誤差。為保證其實時性、魯棒性（在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的能力）及AGV行駛的穩(wěn)定性要求，AGV的運動學和動力學計算以及反饋控制算法優(yōu)化提升，是目前AGV運動控制研究中的一個活躍領域。在智能控制技術方面，目前應用于AGV較多的控制方法是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、遺傳算法控制及模式識別控制等，而且前兩者應用較多。

4.環(huán)境感知與信息融合技術

AGV能夠依靠多個多種傳感器感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)自主行駛任務。經(jīng)過多年的發(fā)展，最初采用的導線導航方式基本已被淘汰，現(xiàn)在市場上廣泛應用的導航方式主要有磁導航、二維碼導航、激光導航和視覺導航等幾種方式，而目前現(xiàn)場應用最多是前兩種，而未來的發(fā)展趨勢是后兩種。

機械結構技術

AGV的機械結構從功能構造來看主要包括以下幾部分：

1.底盤系統(tǒng)

底盤系統(tǒng)是AGV小車的支撐部分及驅動動力來源。在汽車行業(yè)底盤指的是車架部分，將發(fā)動機、變速器、驅動橋、懸架、輪胎及轉向器等組合安裝在車架上的汽車基本構成部分，后來又利用相同的底盤制造了其他車型，只是在外觀和名稱上有所不同，這樣底盤經(jīng)過演化其實際意義便成了平臺。而AGV類似電動汽車但又有所簡化，底盤系統(tǒng)主要包括支撐架、動力驅動輪系統(tǒng)及輔助輪，電動機取代了發(fā)動機，減速器取代了變速器，取消了驅動橋，懸架被簡化成緩沖機構，聚酯膠輪取代了輪胎，電動機驅動的轉向機構取代了轉向器，制動部分也被電機抱閘所取代。

2.貨物舉升系統(tǒng)或者轉移系統(tǒng)

貨物舉升系統(tǒng)或者轉移系統(tǒng)是AGV重要功能部件，是其滿足現(xiàn)場應用需求的必要部件。AGV最重要也是最常見的應用就是貨物搬運過程實現(xiàn)智能化工廠的柔性銜接。而要實現(xiàn)這一功能除了能自動行走，最重要的是能把貨物自動載運起來，因此其必要功能部件就是舉升機構。另外一種常見的應用是能自動把貨物從一條流水線轉移到另一條自動化流水線上，這里則需要轉移機構。

在有些場景下是舉升與轉移機構的綜合應用。如要自動把貨物從某點搬運到一條流水線上，這時就需要用到舉升與轉移兩種機構。

在物流領域，舉升是一種常見需求，因此有著各種類型的舉升技術，如電梯所常用的纜繩式，叉車所常用的鏈條式及齒輪齒條式，汽車維修常用的剪叉式及液壓式，機械領域常用的滾珠絲桿式或螺桿式等等。鑒于AGV本身的特點是體積不能太大，因此這些舉升技術能用的只能是對尺寸要求不大的技術及其組合技術，如齒輪齒條式、鏈條與滾珠絲桿組合或者鏈條與螺桿組合、齒輪與滾珠絲桿組合或者齒輪與螺桿組合、剪叉式或者剪叉的變種連桿式。這些都有各自的優(yōu)缺點，必須根據(jù)應用實際需求來合理選擇舉升方式。比如在尺寸要求小而舉升高度大的場合，選用剪叉式舉升會是一個較優(yōu)的選擇。

轉移機構在各種領域應用比較多的就是滾筒輸送和皮帶輸送等方式，其他還有滾珠絲桿或螺桿推送式，液壓缸或氣缸推送式以及剪叉推送式等。在AGV應用領域鑒于其滿足銜接及一定承載的要求，轉移機構應盡量簡單可靠，因此滾筒輸送的應用是最多的，特別是在與舉升組合應用時一般應用都是滾筒輸送，而其他轉移方式則在一些特殊場合得以應用。

3.電氣模塊分布安裝結構

電氣模塊分布安裝結構主要是按照電氣模塊的安裝特點及AGV整體布局要求來進行設計，因此沒有什么結構標準形式，重點在于電氣模塊本身的安裝要求、車身內部安裝空間的合理性與可安裝維護性以及EMC與EMI的考慮。在電氣集成式與分布式的選擇上遵循滿足空間合理布局及可安裝維護性的基礎上兼顧成本來合理應用。有條件的公司可根據(jù)自身產(chǎn)品應用場景的分析歸類而研制相應不同集成度的模塊化的功能組件，以達到一定的批量化，從而達到滿足功能性的前提下的降低成本。

4.外殼與人機接口

外殼與人機接口關鍵在于工業(yè)設計的水平，目前大部分AGV廠家還停留在滿足功能應用的層面，對AGV的外觀及人機界面的可觀賞性及舒適性考慮得還不多，這與它的應用領域主要是工業(yè)領域有關。與消費領域相比，工業(yè)領域對這方面相對不敏感，關注更多的是功能性與安全。但隨著社會的發(fā)展、行業(yè)的進步及競爭的加劇，工業(yè)設計水平會越來越受到客戶的重視。

事實上“底盤系統(tǒng)”與“外殼、人機接口”的界限并不是確定的，有時二者是一體的，也就是如汽車常用的承載式車身，車體用薄鋼板通過折彎焊接形成一個所需外觀形狀的框體，而所有驅動總成貨物舉升轉移系統(tǒng)及各種電氣模塊都直接安裝在車體上。這種方式的優(yōu)點是充分利用車體本身結構帶來的剛性與強度，在材料種類的使用上要少，用一到兩種鋼板就可以實現(xiàn)；其缺點是所用的鋼板比較厚，且其需要大量的折彎、焊接與打磨工藝，在后期整車的安裝上需要較大的吊裝設備，在可生產(chǎn)性方面這種結構劣勢比較明顯。除了車身很矮時或是車身比較高大時安裝便利性相對較好外，其他情況下其安裝維護是比較麻煩的，如果要增加可生產(chǎn)性及可維護性則要在車身上增加較多的維護窗，對外觀的影響比較大。

結語

從總的數(shù)字領域的發(fā)展趨勢來講，人工智能、新一代信息技術的快速發(fā)展，行業(yè)整體的互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、無人駕駛技術的落地應用越來越成熟，這些因素都將推動AGV行業(yè)的發(fā)展。未來，借助5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術，AGV將不僅僅是簡單地把貨物搬運到指定位置，而是成為一種數(shù)字化系統(tǒng)節(jié)點，能實時感應、安全識別、多重避障、智能決策及自動執(zhí)行等多功能的新型智能工業(yè)設備。而具體到AGV本體，隨著技術的發(fā)展與行業(yè)競爭的加劇，如何在非標中找標準即各功能組件的集成化與模塊化水平如何提高以降低成本是每個AGV廠家必須開始重視的問題，同時客戶對工業(yè)設計水平的要求會越來越高，各AGV廠家必須在功能模塊外購與自研、工業(yè)設計與成本效益之間進行合理的取舍以達到一個合理的公司收益水平，從而確保公司生存與發(fā)展。