AGV关键技术现状及其发展趋势

1AGV关键技术现状及其发展趋势摘要：AGV是自动导引小车（AutomatedGuidedVehicle）的英文缩写，是自动化物流系统中的关键设备之一。本文简单阐述了AGV的定义、基本结构及典型部件，对AGV的发展历史及其现状进行了概述，并分析介绍了国内外AGV的两种发展模式，对AGV系统与关键技术及发展概况进行了较为详细地分析和综述。关键词：AGV；发展；关键技术一、AGV的定义AGV(AutomaticGuidedVehicle)即自动导引小车，它是一种以电池为动力，装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程、停车选择装置、安全保护以及各种移载功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的导引路径行驶，到达指定地点，完成一系列作业任务。其系统技术和产品已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术[1]。二、AGV的基本结构及典型部件AGV的基本结构如图2-1所示，典型部件如图2-2所示。2图2-1AGV的基本结构图2-2AGV的典型部件1)车体：由车架和相应的机械装置所组成，是AGV的基础部分，是其他总成部件的安装基础。2)蓄电和充电装置：AGV常采用24V和48V直流蓄电池为动力。蓄电池供电一般应保持连续工作8小时以上的需要。3)驱动装置：由车轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器等部分组成，是控制AGV正常运行的装置。其运行指令由计算机或人工控制齐发出，运行3速度、方向、制动的调节分别由计算机控制。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。4)导向装置：接受导引系统的方向信息，通过转向装置来实现转向动作。5)车上控制器：接受控制中心的指令并执行相应的指令，同时将本身的状态（如位置、速度等）及时反馈给控制中心。6)通信装置：实现AGV与地面控制站及地面监控设备之间的信息交换。7)安全保护装置：包括对AGV本身的保护、对人或其他设备的保护等方面。8)移载装置：与所搬运货物直接接触，实现货物转载的装置。9)信息传输与处理装置：对AGV进行监控，监控AGV所处的地面状态，并与地面控制站实时进行信息传递。三、AGV的发展历史及现状1.AGV在国外的发展历史及现状世界上第一台AGV是由美国Barrett电子公司于20世纪50年代初开发成功的，它是一种牵引式小车系统，可十分方便地与其他物流系统自动连接，显著地提高劳动生产率，极大提高了装卸搬运的自动化程度。1954年英国最早研制了电磁感应导向的AGV，由于它的显著特点，迅速得到了应用和推广。到了70年代中期，由于微处理器及计算机技术的普及，伺服驱动技术的成熟促进了复杂控制器的改进，并设计出更为灵活的AGV。20世纪80年代末，国外的AGV达到发展的成熟阶段，此时美国的AGV生产厂商从1983年的23家剧增至1985年的74家。1984年，美国通用汽车公司完成了它的第一个柔性装配系统(FAS),从此该公司就成为当时AGV的最大用4户。1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉车和单兀装卸小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将AGV发展到更为先进的水平，他们采用更先进的计算机控制系统，运输量更大，移载时间更短，小车和控制器的可靠性更高。目前，全世界AGVS保有量在16000套以上，AGV在10万台以上。2.AGV在国内的发展历史及现状我国AGV发展历程较短，但一直以来不断加大在这一领域的投入，以改变我国AGV长期依赖进口的局面。北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和华东工学院都在进行不同类型的AGV的研制并小批投入生产。1976年，北京起重机械研究所研制出第一台AGV，建成第一套AGV滚珠加工演示系统，随后又研制出单向运行载重500公斤的AGV，双向运行载重500kg、1000kg、2000kg的AGV，开发研制了几套较简单的AGV应用系统。1988年，原邮电部北京邮政科学技术研究所研制了邮政枢纽AGV。1991年起，中科院沈阳自动化研究所/新松机器人自动化股份研究公司为沈阳金杯汽车厂研制生产了客车6台AGV用于汽车装配线中，可以说是汽车工业中用得比较成功的例子，并于1996年获国家科学技术进步三等奖。1992年，天津理工学院研制了核电站用光学导引AGV。1995年，我国的AGV技术出口韩国，标志着我国自主研发的机器人技术第一次走向了国际市场。5目前国内的AGV保有量应该在1000台左右，大约有60%是国内的AGV厂家提供的，40%是国外厂家提供的[2]。四、国内外AGV的两种发展模式第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化，几乎完全不需要人工的干预，路径规划和生产流程复杂多变，能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善，技术先进；同时为了能够采用模块化设计，降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美的AGV放弃了对外观造型的追求，采用大部件组装的形式进行生产；系列产品的覆盖面广：各种驱动模式，各种导引方式，各种移载机构应有尽有，系列产品的载重量可从50kg到60000kg（60吨）。尽管如此，由于技术和功能的限制，此类AGV的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产，技术水平与国际水平相当。第二种是以日本为代表的简易型AGV技术－－或只能称其为AGC（AutomatedGuidedCart），该技术追求的是简单实用，极力让用户在最短的时间内收回投资成本，这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛，从数量上看，日本生产的大多数AGV属于此类产品（AGC）。该类产品完全结合简单的生产应用场合（单一的路径，固定的流程），AGC只是用来进行搬运，并不刻意强调AGC的自动装卸功能，在导引方面，多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达，AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件，使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用，2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低，目前国内已有多6家企业可生产此类产品。五、AGV的特点及类型1.AGV的特点AGV有以下特点：自动化程度高、充电自动化、美观、安全性、成本控制、易维护、可预测性、降低产品损伤、改善物流管理、较小的场地要求、灵活性、长距离运输。2.AGV的类型1)按导引方式分：直接坐标导航方式、电磁导航方式、磁导航方式、激光导航方式、光学导航方式、惯性导航方式、图象识别导航方式、GPS（全球定位系统）导航方式。2)按驱动方式分：单驱动、差速驱动、双驱动、多轮驱动。3)按移载方式分：推挽式、辊道式、链式、带式、牵引式、驮举式、叉式、拣选式、龙门式、机器人式。4)按通讯方式分：有线通讯、红外光通讯、无线电通讯、无线局域网。3.AGV的主要技术参数1)运载类别：托盘、集装、容器、牵引等；2)承载质量：有效承载能力、牵引能力，重型、中型、轻型、微型；3)自重：包括蓄电池；4)移载方式：自动、半自动或手工装卸，前移、后移、侧移、推挽、举升等，7辊道、链式、叉式等；5)行走速度：前进、反向、转弯、接近等速度；6)行走功能—主要有:点对点功能,包括一点对多点配给式、多点依序运送式、多点对一点汇集式、多点依序环路式、多点对多点扩散式；反向行走功能；横向行走功能特别适于离线作业；转弯、分线行走功能；斜行步进功能；原地回转功能；升降功能；专用作业功能如装配作业、机械手等作业功能；7)驱动型式：三轮式、对偶三轮式、速差式、四轮式，行走、转向、提升电机型式与功率，液压型式与功率；8)行走精度：相对导向线路的左右偏差，转弯时或分线时的左右偏差等；9)停位精度：各种工况的XYZ停位误差；10)尺寸：静态、动态、伸长、移载尺寸，轮距轴距，回转最小半径、地隙高度；11)导引方式：导引方式、导引器件型式(如激光扫描器、编码器、摄像头、磁钉等)；12)通讯方式：有线、无线、红外；13)控制系统：机上、地面控制系统的硬件、软件，通用的型号、专用的年代版本等；14)安全装置：车体正面、后面、侧面、叉头的各种声、光、电、机械传感器，开关、缓冲器、紧急停车按钮、声光报警，探测保护距离，探测保护距离随速度、转弯、接近、特殊工况、特殊路径的自动调整，制动方式(减速电机，干式电磁制动等)、各种工况的制动距离等；15)蓄电池：功率、电池种类、组合状态；16)充电方式：集中充电、快速充电等；817)工作噪声；18)使用环境：对环境的要求；19)自重/载重：比值[3]。六、AGV系统AGV控制系统分为地面（上位）控制系统及车载（下位）控制系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理，自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能。系统硬件配置如图6-1所示：图6-1AGV系统硬件配置七、AGV的关键技术及发展概况曾有国外专家对AGV控制系统需解决的主要问题做了恰当的比喻：Wheream9I?（我在哪里？）WhereamIgoing?（我要去哪里？）HowcanIgetthere?（我怎么去？），这三个问题归纳起来分别就AGV控制系统中的三个主要技术：AGV的导航（Navigation），AGV的路径规划（Layoutdesigning），AGV的导引控制（Guidance）。1.AGV的导航技术AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，随着技术的发展，目前能够用于AGV的导航/导引技术主要有以下几种：1)直接坐标（CartesianGuidance）用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域，通过对小区域的计数实现导引，一般有光电式（将坐标小区域以两种颜色划分，通过光电器件计数）和电磁式（将坐标小区域以金属块或磁块划分，通过电磁感应器件计数）两种形式，其优点是可以实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无特别要求。缺点是地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。2)电磁导引（WireGuidance）电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。3)磁带导引（MagneticTapeGuidance）10与电磁导引相近，用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行，但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。4)光学导引（OpticalGuidance）在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图象信号进行简单处理而实现导引，其灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。5)激光导航（LaserNavigation）激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是AGV定位精确、地面无需其他定位设施、行驶路径可灵活多变、能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式；缺点是制造成本高，对环境要求较相对苛刻（外界光线，地面要求，能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）。6)惯性导航（InertialNavigation）惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集