AGV 小車引導(dǎo)方式的發(fā)展趨勢分析*

徐一波

（江西師范高等專科學(xué)校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

隨著人類社會的不斷發(fā)展，運輸業(yè)、通信業(yè)、倉儲業(yè)等各種行業(yè)組合成了物流業(yè)，物流連接著生產(chǎn)、消費、供給和需求，它的速度與精確度能夠較好地反映整個社會的經(jīng)濟水平高低。其中，倉儲業(yè)是物流業(yè)的組成部分之一，是供應(yīng)與需求的中間環(huán)節(jié)，能夠緩沖與平衡供給和需求之間的矛盾，通常包含了收貨作業(yè)、存貨作業(yè)、發(fā)貨作業(yè)、取貨作業(yè)等環(huán)節(jié)。

對倉儲系統(tǒng)而言，AGV 小車的作用至關(guān)重要。AGV 小車全稱Automated Guided Vehicle，亦稱之為無人叉車或者無人搬運機器人，指的是裝備了光學(xué)或者電磁等自動引導(dǎo)裝置，可以按照規(guī)定的路徑行駛，并且擁有安全保護和各種移載貨物功能的運輸小車。傳統(tǒng)的搬運有著諸多缺陷，例如：工人、設(shè)備數(shù)量較多，導(dǎo)致勞動力成本較大；工作效率較低、數(shù)據(jù)化程度較低、工作錯誤率較高；使用傳統(tǒng)的叉車危險性相對較大；招工難、用工也難等。相比之下，AGV小車的優(yōu)勢頗為突出。它不僅自動化水平較高，而且還能夠通過控制計算機判定設(shè)備電量，當設(shè)備電量低于警戒線時，它將主動行駛到事先設(shè)定好的位置自動充電。而且，它的外形較為美觀，使用也很方便，占用的空間較小，便于在不同的車間來回行駛。它能夠?qū)崿F(xiàn)貨物從起點到終點的自動化運輸，并且在這一過程中，還能夠自動避開路徑上的各種障礙物，多級警示，遇到險情可以緊急剎車。而且，它的行駛軌跡還能夠依照不同的倉儲貨位需求及生產(chǎn)過程來改變。相比于輸送帶以及直線輸送的剛性輸送設(shè)備，AGV小車轉(zhuǎn)變輸送路徑的成本會低很多。其次，AGV 小車不僅可以自動搬運，還擁有自動裝卸的功能。它的這些能力在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低了企業(yè)在生產(chǎn)過程中面臨的勞動力成本和時間成本。和諸多智能化機器人一樣，AGV 小車也使用蓄電池供能，有著綠色環(huán)保、清潔無污染的優(yōu)點。目前來說，AGV 搬運小車在制造業(yè)中應(yīng)用頗為廣泛，在工業(yè)機器人應(yīng)用中的占比達到了大約40%，大量的自動化生產(chǎn)線都要用到AGV 搬運小車完成上料、下料和搬運等作業(yè)。近幾年，協(xié)作機器人的崛起讓AGV 搬運小車在市場中的占比穩(wěn)步增長。

2 AGV小車引導(dǎo)方式

AGV 小車已經(jīng)發(fā)展了許多年，種類繁多、功能多樣，它由車體系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置、車載控制系統(tǒng)、精確停車裝置、行走系統(tǒng)、運動控制器、移載系統(tǒng)、安全與輔助系統(tǒng)等組成。AGV 小車的核心是車載控制系統(tǒng)，通常包括計算機控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電機驅(qū)動器和操作面板等。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)的作用就是確保其按照規(guī)劃的路徑行駛，且能夠保證精度。它的運行有多種引導(dǎo)方式，可以按照引導(dǎo)方式來對其進行分類，大體可以分成：電磁感應(yīng)引導(dǎo)、磁釘引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)、色帶引導(dǎo)、二維碼引導(dǎo)、視覺引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、GPS 引導(dǎo)、鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)、復(fù)合引導(dǎo)等[1-2]。

1）電磁感應(yīng)引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式出現(xiàn)的時間比較早，而且直到現(xiàn)在依舊經(jīng)久不衰。它通常是在AGV 小車預(yù)設(shè)的行駛路線對應(yīng)的地下鋪設(shè)金屬導(dǎo)線，并對導(dǎo)線通入高頻交流電，從而在其周邊產(chǎn)生電磁場。同時，在AGV 小車上左右兩邊各加裝一個電磁感應(yīng)器，根據(jù)這兩個電磁感應(yīng)器接收到的電磁信號強度之差來判斷AGV 小車行駛過程中偏離預(yù)設(shè)路線的程度大小。而且，它的自動控制系統(tǒng)也是按照偏離程度來操控其轉(zhuǎn)向的。該引導(dǎo)方法適用于大部分商業(yè)用的自動導(dǎo)向搬運車系統(tǒng)，特別是一些體積較大的AGV 小車。這種引導(dǎo)方式的優(yōu)勢在于金屬導(dǎo)線鋪設(shè)于地下，較為隱蔽，不容易受到外界的污染或者出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，而且引導(dǎo)的工作原理也簡單明了、可靠性高，方便工作人員進行控制及通信，即便是強光強聲的環(huán)境也無法干擾其正常運行，生產(chǎn)的成本也頗為低廉。但不利之處在于AGV 小車運行之前，鋪設(shè)金屬導(dǎo)線的前置工作頗為煩瑣，在鋪設(shè)工作完成之后，想要再次更改路徑或者延長路徑都很麻煩。此外，周圍有磁性大的物質(zhì)（如鐵磁材料）時，容易干擾電磁感應(yīng)引導(dǎo)的過程，這一缺陷使得該導(dǎo)引方式難以適用于許多復(fù)雜的路徑中。

2）磁釘引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是使用坐標系并通過定位塊來把AGV 小車行駛過程中途徑的區(qū)域劃分為不同的小塊區(qū)域，然后再對各小塊區(qū)域進行計數(shù)來達到引導(dǎo)AGV 小車行駛的目的。這種引導(dǎo)方式通?？梢苑譃殡姶攀剑ㄓ么艍K或者金屬塊劃分各個小塊區(qū)域，并使用電磁感應(yīng)元器件進行計數(shù)）與光電式（用兩種不同的顏色劃分各個小塊區(qū)域，并使用光電元器件進行計數(shù)）。磁釘引導(dǎo)式擁有良好的美觀性與隱蔽性，制作成本低廉，技術(shù)成熟，可靠性高。而且，磁釘?shù)哪湍バ阅?、耐酸堿性、抗干擾性都比較好，適用于室內(nèi)、室外等多種場所。

3）磁帶引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式和電磁感應(yīng)引導(dǎo)頗為相似，它是通過在AGV 小車的行駛路徑上粘貼磁帶，并使用磁感應(yīng)信號來進行AGV 小車的引導(dǎo)。磁帶引導(dǎo)的精度很高，重復(fù)性也很好，光線對磁性的影響微乎其微，而且鋪設(shè)磁帶的成本非常低廉。相對于在地下鋪設(shè)金屬導(dǎo)線的電磁感應(yīng)引導(dǎo)式，這種引導(dǎo)方式較為靈巧，在AGV 小車投入運行后仍然可以很容易地更改或者延伸行駛路徑。然而，磁帶容易出現(xiàn)磨損，影響導(dǎo)引過程。而且周邊環(huán)境中存在磁性物質(zhì)的話，也很容易影響導(dǎo)引的準確性。此外，AGV 小車開始工作后，只能沿著磁帶的方向行駛，在磁帶改變前，小車的行駛路徑不能改變[3]。

4）色帶引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是在AGV 小車行駛路徑上貼上色帶或者涂上油漆，通過處理攝像機得到色帶圖像信號來達到引導(dǎo)AGV 小車行駛的目的。這種方式的優(yōu)勢在于頗為靈巧，不論是貼色帶還是涂油漆，都比較方便快捷，而且成本較低。但不足之處也在于此，貼的色帶和涂的油漆都難以長期保持原狀，被破壞或被污染后的色帶（油漆）無法保證引導(dǎo)過程的準確性，容易出現(xiàn)偏差。

5）二維碼引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是把多張二維碼進行離散化擺放，使用AGV 小車的車載攝像頭來掃描二維碼并得出實時位置坐標。這種定位方式是非常準確的，而且張貼二維碼也比較簡單快捷，不論是AGV 小車運行前的鋪設(shè)路徑還是運行后的改變及延伸路徑都比較簡單，進行控制與通信也比較容易，而且噪聲和強光的工作環(huán)境不會對AGV 小車的引導(dǎo)產(chǎn)生影響。但是不足之處在于要定期對AGV 小車的行駛路徑進行維護，而且復(fù)雜的環(huán)境下也要時常更換張貼的二維碼。

6）視覺引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過在AGV 小車上安裝攝像頭與傳感器，根據(jù)行駛過程中攝像頭拍攝得到的地面紋理得出圖像，然后對比圖像數(shù)據(jù)庫中的紋理圖像來判斷當下的位置，從而達到定位的目的。該方式不需要事先設(shè)置行駛路徑，可以說在引導(dǎo)方面極為便捷，柔性程度極高。并且，計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展也會讓圖像采集、圖像處理與圖像存儲等技術(shù)愈發(fā)先進。未來的某一天，視覺引導(dǎo)或許會成為應(yīng)用最廣的引導(dǎo)方式[4]。

7）激光引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過在AGV 小車上安裝能自動旋轉(zhuǎn)的激光掃描器（一種光學(xué)距離傳感器），并在AGV 小車的行駛路徑附近安裝相應(yīng)的激光反射板。AGV 小車在運行時用激光掃描器發(fā)射出激光束，并對周遭激光反射板反射回來的激光束進行接收，從而判斷出當下的位置與移動方向，并對比數(shù)字地圖，達到引導(dǎo)的目的[5]。

8）GPS 引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是使用衛(wèi)星來進行跟蹤與制導(dǎo)，一般應(yīng)用于室外場所的引導(dǎo)行為，引導(dǎo)的可靠性由空中衛(wèi)星的數(shù)量和精度以及AGV 小車周遭環(huán)境的復(fù)雜程度所決定。該技術(shù)目前尚不成熟，還需要假以時日進行完善。

9）鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過在AGV 小車上安裝一個陀螺儀，得到AGV 小車行駛過程中的x、y、z三軸的角速度與加速度，并由此計算出AGV 的位置與姿態(tài)。在AGV 小車的行駛路徑上裝好定位塊之后，AGV 小車就能夠根據(jù)鐵磁陀螺儀計算出的位姿信息與采集到的定位塊信號得出當下的位置與方向，以達到引導(dǎo)的目的。

10）復(fù)合引導(dǎo)。顧名思義，這種引導(dǎo)方式通過同時使用至少兩種引導(dǎo)方式來達到引導(dǎo)目的，讓它能夠更好地適用于不同的環(huán)境。例如，二維碼引導(dǎo)式+鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式、激光引導(dǎo)式+磁釘引導(dǎo)式的復(fù)合引導(dǎo)等等，復(fù)合引導(dǎo)能更好地提高AGV 小車引導(dǎo)的柔性程度，隨著技術(shù)的不斷更新，它的使用頻率也將逐步提升。

3 發(fā)展趨勢

AGV 小車在導(dǎo)航過程中，會遇到各種各樣的問題。若小車行駛時遇到駐留貨位、貨物托盤的識別問題和某些特定區(qū)域識別等問題，可采用穿透性強、抗干擾性能好、讀卡速度快、讀卡距離適中的RFID自動識別技術(shù)，從而輕松地穿越物體、快速精確地進行標簽讀取且不受環(huán)境因素影響并能夠做到準確停車。對AGV 小車導(dǎo)引來說，RFID 自動識別技術(shù)能夠提供更高效的路徑規(guī)劃，進行合理的交通管制，防止死鎖與堵塞等現(xiàn)象的發(fā)生[6]。為確保AGV 小車運行過程的準確性，可以考慮對其軌跡跟蹤使用模糊預(yù)測控制，對其位置姿態(tài)進行估計、預(yù)測、反饋校正及滾動優(yōu)化，達到一預(yù)測、二校正、三控制的效果[7]。同時，可以根據(jù)已采用算法暴露出的缺點，來不斷地改進、優(yōu)化算法。例如：AGV 小車在糾正偏差的時候，有糾正時間較長、小車車身的擺動幅度較大且容易掉線等問題。對此，可以考慮使用自適應(yīng)模糊PD 算法對AGV 小車左右輪的速度進行適時調(diào)整，來改善這三個問題[8]。而且，大力發(fā)展復(fù)合引導(dǎo)方式，是AGV小車導(dǎo)引未來的發(fā)展方向。例如：可以依托二維碼引導(dǎo)，并結(jié)合視覺引導(dǎo)與慣性引導(dǎo)這兩種引導(dǎo)方式，提出了基于二維碼和慣性傳感器的復(fù)合引導(dǎo)法，充分發(fā)揮出不同引導(dǎo)方式各自的優(yōu)點，從而達到提升AGV小車運行精度的目的[9]。

AGV 小車還有許多缺陷亟待解決，如充電自動化、制造標準化、部件模塊化、控制遠程化等[10]。當前，AGV 搬運小車基本都擁有了完整的故障檢測體系，但它依舊離不開操作人員的手動排除故障。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新，未來的某一天，或許它能夠擁有自動檢測故障、自動排除故障的能力。目前，AGV搬運小車已經(jīng)初步實現(xiàn)了智能化、自動化搬運來取代人力搬運，縮減了企業(yè)對人力的需求，同時也降低了一線工人的工作強度，與各類智能機器人一道，有效緩解了相關(guān)企業(yè)用工難、用工貴的難題，也為當今社會人口老齡化日益嚴峻、青壯年勞動力不足問題的解決提供了有效方案。AGV 小車是可移動的智能機器人，是工業(yè)邁向自動化生產(chǎn)、物流的重要設(shè)備。毋庸置疑，當各項技術(shù)缺陷被逐步完善之后，它將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出無可替代的作用。