AGV技术详解

第七章自动导引车7.1概述自动导引小车是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人驾驶自动运输车(见图7-1、7-2)。其主要功能是，在计算机控制下，通过复杂的路径将物料按一定的停位精度输送到指定的位置上。7.1.1AGV的发展现状20世纪50年代中期，Barret公司设计出无人驾驶卡车，也就是AGV的最早雏形。后来，美国物料搬运研究所将其定义为AGV，它是可充电的无人驾驶小车，可根据路径和定位情况编程，而且行走的路线可以改变和扩展。据报导，到1960年时，欧洲就安装了各种型号不同水平的自动搬运车系统，使用了13,000多台AGV。1959年AGV开始用于仓库自动化和工厂作业中。日本也从这时开始引进AGV技术。日本是使用这种车辆最多的国家，在20世纪80年代末，拥有各种类型的自动搬运车超过一万台，其生产厂家达47家，广泛应用于汽车制造、机械、电子、钢铁、化工、医药、印刷、仓储、运输业和商业上。20世纪70年代，AGV作为生产组成部分进入了生产系统，并得到了迅速发展。1973年，瑞典VOLVO公司在KALMAR轿车厂的装配线上大量采用了AGV进行计算机控制装配作业，扩大了AGV的使用范围7.1.2AGV在AS/RS中的作用控制台通过计算机网络接受立体仓库管理系统下达的AGV输送任务，通过无线局域网通讯系统实时采集各AGV、拆箱机器人的状态信息。根据需求情况和当前AGV运行情况，将调度命令传递给选定的AGV。AGV完成一次运输任务，在托盘回收站待命，等待下次任务。各立体库出货口和拆箱机器人处均有光导通讯装置。对运行中的AGV，控制台将通过无线局域网通讯系统与AGV交换信息，实现AGV问的避碰调度、工作状态检测、任务调度。在立体仓库和拆箱机器人处通过光导通讯与AGV交换任务和状态，完成移载。自动导航系统完成AGV的导引。充电系统由充电器和充电控制器组成，完成在线快速自动充电。AGV接受控制台的任务，完成运输。地面移载设备可实现AGV的自动移载、加载、交换空托盘。图7-4为在青岛海尔自动化立体仓库中移载用的激光导引AGV。7.1.3AGV的组成AGV由以下各部分组成：车体、蓄电池、车上充电装置、控制系统、驱动装置、转向装置、精确定位装置、移载机构、通信单元和导引系统。1．车体。由车架和相应的机械电气结构如减速箱、电机、车轮等组成。车架常采用焊接钢结构，要求有足够的刚性。2．蓄电池与充电装置。常采用24V或48V直流工业蓄电池为动力。3．驱动装置。驱动装置是一个伺服驱动的变速控制系统，可驱动AGV运行并具有速度控制和制动能力。它由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成，并由计算机或人工进行控制。速度调节可采用脉宽调速或变频调速等方法。直线行走速度可达1m/s，转弯时为0.2～0.5m/s，接近停位点时为0.1m/s。4．转向装置。AGV常设计成三种运动方式：只能向前；能向前与向后；能纵向、横向、斜向及回转全方位运动。转向装置的结构也有三种：(1)铰轴转向式三轮车型。车体的前部为一个铰轴转向车轮，同时也是驱动轮。转向和驱动分别由两个不同的电动机带动，车体后部为两个自由轮，由前轮控制转向实现单方向向前行驶。其结构简单、成本低，但定位精度较低(见图7-5)。(2)差速转向式四轮车型。车体的中部有两个驱动轮，由两个电机分别驱动。前后部各有一个转向轮(自由轮)。通过控制中部两个轮的速度比可实现车体的转向，并实现前后双向行驶和转向。这种方式结构简单，定位精度较高(见图7-6)。(3)全轮转向式四轮车型。车体的前后部各有两个驱动和转向一体化车轮，每个车轮分别由各自的电动机驱动，可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向任意路线行走，控制较复杂，见图7-7。图7-5铰轴转向式三轮车型Ra图7-6差速转向式四轮车型图7-7全轮转向式四轮车型5．控制系统。AGV控制系统包括车上控制器和地面(车外)控制器，均采用微型计算机，通过通信进行联系。•输入AGV的控制指令由地面(车外)控制器发出，存入车上控制器(计算机)；AGV运行时，车上控制器通过通信系统从地面站接受指令并报告自己的状态。车上控制器可完成以下监控：手动控制、安全装置启动、蓄电池状态、转向极限、制动器解脱、行走灯光、驱动和转向电机控制与充电接触器的监控等。•控制台与AGV间可采用定点光导通讯和无线局域网通讯两种通讯方式。采用无线通讯方式时，控制台和AGV构成无线局域通讯网，控制台和AGV在网络协议支持下交换信息。无线通讯要完成AGV的调度和交通管理。•在出库站和拆箱机器人处移载站都设有红外光通讯系统，其主要功能是完成移载任务的通讯。•AGV充电可以采用在线自动快速充电方式6．移载装置。AGV用移载装置来装卸货物，即接受和卸下载荷。常见的AGV装卸方式可分为被动装卸和主动装卸两种。•被动装卸方式的小车自己不具有完整的装卸功能，而是采用助卸方式，即配合装卸站或接收物料方的装卸装置自动装卸。常见的助卸装置有滚柱式台面[图7-8(b)]和升降式台面[图7-8(a)]两种。采用滚柱式台面的环境要求是站台必须带有动力传动辊道，AGV停靠在站台边，AGV上的辊道和站台上的辊道对接之后同步动作，实现货物移送。升降式台面的升降台下设有液压升降机构，高度可以自由调节。为了顺利移载，AGV必须精确停车才能与站台自动交换。图7-8被动装卸装置•主动装卸方式是指自动小车自己具有装卸功能。常见的主动装卸方式有单面推拉式、双面推拉式、叉车式[图7-9(a)]和机器人式[图7-9(b)]四种。图7-9主动装卸装置7．安全装置。为确保AGV在运行过程中自身安全，现场人员及各类设备的安全，AGV将采取多级硬件、软件的安全措施。在AGV的前面设有红外光非接触式防碰传感器和接触式防碰传感器——保险杠。AGV安装醒目的信号灯和声音报警装置，以提醒周围的操作人员。一旦发生故障，AGV自动进行声光报警，同时无线通讯通知AGV监控系统。(1)障碍物接触式缓冲器。障碍物接触式缓冲器是一种强制停车安全装置，它产生作用的前提是与其它物体相接触，使其发生一定的变形，从而触动有关限位装置，强行使其断电停车。(2)障碍物接近传感器。非接触式检测装置是障碍物接触式缓冲器的辅助装置，是先于障碍物接触式缓冲器发生作用的安全装置。为了安全，障碍物接近传感器是一个多级的接近检测装置，在预定距离内检测障碍物。在一定距离范围内，它会使AGV降速行驶，在更近的距离范围内，它会使AGV停车，而当解除障碍物后，AGV将自动恢复正常行驶状态。障碍物接近传感器包括激光式，超声波式，红外线式等多种类型•如日本产的红外线传感器能检测搬运车的前后方向、左右方向的障碍物，也能在二段内设定慢行和停止，也即2m内减速、lm内停车。发射的光频率数有4种或8种，能防止各搬运车间的相互干扰。(3)装卸移载货物执行机构的自动安全保护装置。AGV的主要功能是解决物料的全自动搬运，故除了其全自动运行功能外，还有移载货物的装置。移载装置的安全保护装置包括机械和电气两大类。如位置定位装置、位置限位装置、货物位置检测装置、货物形态检测装置、货物位置对中结构、机构自锁装置等结构。7.1.4AGV的典型产品7.2AGV的导引方式AGV的导引方式，所谓AGV导引方式是指决定其运行方向和路径的方式。它不同于前面所说的一般通信。常用的导引方式分两大类：车外预定路径方式和非预定路径方式。•车外预定路径导引方式是指在行驶的路径上设置导引用的信息媒介物，AGV通过检测出它的信息而得到导向的导引方式，如电磁导引、光学导引、磁带导引(又称磁性导引)等。•非预定路径(自由路径)导引方式其一是指在AGV上储存着布局上的尺寸坐标，通过识别车体当前方位来自主地决定行驶路径的导引方式，又称车上软件一编程路径方式；其二是指激光导引。AGV导引技术的研究十分活跃，具体体现为：①路径的设定更加灵活机动。②路径变更简单易行。③提高对路面或环境变化的适应能力。④精确地实时检测位置和方位值，提高引导性能。⑤赋予感知和回避障碍的性能(智能)。⑥具有人机对话功能⑦更强的信息通信功能。⑧系统尽量不依赖于中央计算机。⑨多辆AGV协调工作。•为此，需要解决好以下几项关键技术：①高精度且廉价的位置、方向检测手段。②信息通信手段。③图像处理和图像识别技术以及自动转换器的实用化。④系统总体技术(特别是多辆AGV群控技术)。7.2.1预定路径方式1．车外连续标记(1)电磁导引这是目前AGV采用最广泛的一种导引方式(见图7-10)。它需要在地面开槽(约51mm宽，15mm深)埋设电缆，接通低压、低频信号，在电线周围产生磁场。车上需安装有两个感应线圈，并使其分别位于此导引线的两侧。导向线中电流约为200～300mA，频率为2kHz～35kHz。(2)反光带或磁带导引1)反射式导向。如图7-11所示，这种引导方式是在地面上连续铺设一条用发光材料制作的带子，或者用发光涂料涂抹在规定的运行路线上，在车辆的底部装有检测反射光传感器，通过偏差测定装置到驱动转向电机来不断调整车辆前进的方向2)磁性式导向。是在地面上连续铺设一条金属磁带，而在车辆上装有磁性传感器，检测磁带的磁场，通过磁场偏差测定控制驱动转向电机来调整车辆行驶方向。2．车外间断标志标志跟踪方式中有一种称为视觉引导法，即在所经路径上断续地设有若干引导标志或反射板(也可是玻璃球)，小车据此自动识别和判断路径(见图7-12)。引导的标志除条形码外，还可用圆形、方形、箭头等图形，7.2.2非预定路径1．激光导引(1)光扫描导引。沿着路径从高处用光束进行扫描，计算机根据光信息(扫描角度以及扫描装置标号)，精密检测出AGV现在的位置(图7-13)。这种方法路径变换容易，扫描方式最简单。(2)信标方式(激光导航)。这种方式是在路径上或沿着路径设置多个标记，标记本身主动发出信号提供有关位置信息。信标方式是从现在位置寻找若干个信标，然后根据其方向和有关信标的位置信息，利用三角测量原理计算出现在的位置。图7-14利用激光导航方式的高精度位置检测原理标记可用再现反射体(直角棱镜等)，扫描射线优先采用激光，也可采用红外线。根据求得的两组两个再现反射体之间的开度角计算出现在的位置、方位，这种方法称为激光导航法。标记设置简单、廉价，精度也非常好。图中参数的计算式如下：式中，yKx1tancyxcoscoscosabbbbaxxyKyxx代替检测多个信标方向的方法，是通过从一个地方的信标发出扫描激光光束，用AGV上若干个传感器来检测的方法(称为激光信标方法)。采取这种方法，在作为移动物体的AGV上设置的3个传感器，如果都接收到激光站(即使是一个)的光就能检测出位置，即便存在很多AGV，如果某AGV上的3个传感器能接收到信标发出的光，这个AGV就能进行高精度的位置检测。这种位置检测法是强噪声检测法，可作为用于自立分散型群控AGV的高精度位置检测。2．数字地图引导把路径画在数字地图上，作为人与机器的对话式系统，非常容易接近。此外，利用中央计算机的指令把路径的设定作为串行数据给出的方法，对复杂、交叉路径多的路线特别有效。是适合于控制复杂、多种、多量AGV的方法，是使工厂内的物流系统高度自动化所必须的。7.2.3智能引导智能引导方式有示教式（初级智能）和路径规划两种。示教式：当AGV沿着示教的路径行走一次，即记住行走路线。它实际上还可学会新的行走路径，并通知主控计算机所学到的东西。主控计算机可通知其他的AGV关于这条新的路径的信息。7.3路径规划AGV智能化的新发展在于自主回避障碍物并达到目的地的路径规划。首先，影响路径规划的是AGV的自由度数和地图的有无。为了便于理解，以2自由度AGV为例，分别考虑有地图时(环境已知时)和没有地图时(环境未知时)的路径·动作规划。这里，假定AGV只考虑两个位置自由度(X、Y轴上的位置)，不考虑姿态方面的一个自由度(绕中心的回转)•由于地图是由AGV和障碍物的模型，所以有地图时的路径规划称为基于模型的路径规划(Model-basedPath-Planning)。基于模型的路