自動導向車(Automated Guided Vehicle,簡稱AGV),也稱為自動導向搬運車、自動引導搬運車

自動導向車簡介

自動導向車(AGV) 是採用自動或人工方式裝載貨物,按設定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點,再用自動或人工方式裝卸貨物的工業車輛。按日本JISD6801的定義:AGV是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業車輛。自動導向車只有按物料搬運作業自動化、柔性化和準時化的要求,與自動導向系統、自動裝卸系統、通訊系統、安全系統和管理系統等構成自動導向車系統(AGVS)才能真正發揮作用[1][2]

電腦硬體技術、並行與分散式處理技術、自動控制技術、感測器技術以及軟體開發環境的不斷發展,為AGV的研究與應用提供了必要的技術基礎。人工智慧技術如理解與搜索、任務與路徑規劃、模糊與神經網路控制技術的發展,使AGV向著智能化和自主化方向發展。AGV的研究與開發集人工智慧信息處理、圖像處理為一體,涉及電腦、自動控制、信息通訊、機械設計和電子技術等多個學科,成為物流自動化研究的熱點之一。

儘管對AGV的研究已有多年的歷史,但仍有多項關鍵技術還有待提高和突破,以進一步提高AGV的性能,降低製造成本和減少使用費用

自動導向車(AGV)的發展歷史

  • 1953年,第一輛AGV

AGV扮演物料運輸的角色已經50多年了。第一輛AGV誕生於1953年,它是由一輛牽引式拖拉機改造而成的,帶有車兜,在一間雜貨倉庫中沿著佈置在空中的導線運輸貨物。到上世紀五十年代末到六十年代初期時,已有多種類型的牽引式AGV用於工廠和倉庫。

1973年,位於瑞典卡爾馬市的沃爾沃裝配廠著手發展非同步設備裝配線,來替代傳統的傳送帶式裝配線。至此,由電腦控制的裝配型AGV數量達到了280輛。

  • 20世紀70年代,首輛負載AGV

20世紀70年代中期,由於負載AGV的引入,AGV產業得到了第一次較大的發展。由於這些負載AGV能夠為物料處理領域提供多功能的服務而被廣泛接受,例如工廠里的工作站臺,傳送設備,以及控制系統和信息系統之間的連接等。目前,已經有許多廠家製造的幾百個負載AGV系統運轉著。這些 AGV系統在倉庫、工廠、作坊、醫院以及其它工商業領域中得到了廣泛的運用。

  • 智能地面和dumb小車

20世紀70年代,基本的導引技術是靠感應埋在地下的導線產生的電磁頻率。通過一個叫做“地面控制器”的設備打開或關閉導線中的頻率,從而指引AGV沿著預定的路徑行駛。由於AGV只是沿著地面上的信號行駛,所以被稱為“dumb”,而AGV行駛的路徑是由智能的地面控制器決定的,因此,這一時期的系統被稱為“智能地面”和“dumb小車”。

AGV上的感測器將根據信號的強度,選擇某一頻率的電磁信號為AGV提供導引。這項技術必須在地面埋設多條導線來處理交叉點或其它操作點。系統將給導線施加一定的電壓,使AGV按照預定的路徑行駛。例如,在一個交叉點必須設置3條獨立的導線。

這些第一代的導航電路在安裝上的花費是昂貴的。因為在AGV所行駛的路徑上都需要在地面上開槽,而且在彎道處,開槽的軌跡必須符合AGV的轉彎半徑。很多系統都需要埋設4條導線——3條用於導航,1條用於通信。另外,導線中的導航信號經常會受到周圍的鋼筋或電子信號的干擾。

  • 死估算能力

隨著電子技術和微處理器技術的不斷發展,AGV的應用也越發廣泛。AGV變得更加智能化,而路徑卻沒有以前那麼複雜了。其中,死估算的發展是最主要的突破之一。死估算這一術語描述的是AGV自主在地面行駛的能力。死估算的最大優點是在交叉點不需要沿著AGV的轉彎半徑開槽,AGV可以離開導線,按照程式中設定的半徑轉彎,然後再繼續沿著導線行走。這樣,雖然在地面上仍然需要埋設多條導線,但是導線的安裝卻非常簡單了。

  • 20世紀80年代,無線式導引

20世紀80年代末期,無線式導引技術引入到AGV系統中,例如利用激光和慣性進行導引,這樣提高了AGV系統的靈活性和準確性,而且,當需要修改路徑時,也不必改動地面或中斷生產。這些導引方式的引入,使得導引方式更加多樣化了。

  • 電腦的功能

隨著電子產品和電腦軟體等高科技產品的快速發展,降低了微電腦和微電子器件的成本,毫無疑問,這對AGV的發展起到了極大的推動作用。AGV系統中的電腦用於存儲指令、做出判斷以及執行程式等。實際上,幾乎所有目前由人工控制的物料處理過程,都可以由AGV來完成。AGV能夠合理安排生產時序,保存產品清單,管理系統明細,以及控制多種類型的機械繫統的所有操作。

  • 應用與控制

AGV的應用從最初的傳統式定向配送,迅猛地發展到擁有機器人介面的、由複雜的電腦控制的汽車裝配線領域。AGV能夠成為一個獨立的系統,也可以集成到其它系統中,或者成為各個相對獨立的自動化生產區之間的紐帶。最初的AGV只用於在水平方向上搬運放在托盤上的物料,而目前對於AGV的設計和應用已經像工業機器人一樣多種多樣了。

  • AGV的製造

市場對AGV需求量可以由AGV生產廠家的增長數量來衡量。上世紀70年代末起,美國只有不到6家AGV生產廠家,AGV的型號也不過3種。隨著對產品標準化設計的日益重視,到了1990年,全世界的AGV生產廠家達到40多個,車型也超過了15種。隨著科技的發展,將推動未來AGV的革新。而AGV使用數量的日益增長,反過來又促進了在AGV研發上加大投資力度。

自動導向車的發展與應用

1953年,美國Barrett Electric公司製造了世界上第1台採用埋線電磁感應方式跟蹤路徑的自動導向車,也被稱作“無人駕駛牽引車”。20世紀60年代和70年代初,AGV仍採用這種導向方式。但是,20世紀70年代中期,具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應用並被引入到美國。這些自動導向車主要用於自動化倉貯系統和柔性裝配系統的物料運輸。在20世紀70年代和80年代初,AGV的應用領域擴大而且工作條件也變得多樣化,因此,新的導向方式和技術得到了更廣泛的研究與開發[6]

在最近的10—15年裡,各種新型AGV被廣泛地應用於各個領域。單元式AGV主要用於短距離的物料運輸並與自動化程度較高的加工設備組成柔性生產線。例如,自動導向叉車用於倉貯貨物的自動裝卸和搬運;小型載貨式AGV用於辦公室信件的自動分發和電子行業的裝配平臺。除此以外,AGV還用於搬運體積和重量都很大的物品,尤其是在汽車製造過程中用多個載貨平臺式AGV組成移動式輸送線,構成整車柔性裝配生產線。最近,小型AGV應用更為廣泛,而且以長距離不複雜的路徑規劃為主。AGV從僅由大公司應用,正向小公司單台應用轉變,而且其效率和效益更好[7]。表1是1993~1997年AGV在國外各個行業的銷售情況。

表1  AGV在國外各個行業的銷售情況(%)

年份 1993 1994 1995 1996 1997
汽車製造 27.2 27.6 28.1 28.6 29.1
航空國防 10.6 9.9 9.2 8.5 7.9
電子行業 12.1 12.3 12.5 12.6 12.8
服務行業 20.7 21.0 21.3 21.6 22
工程機械 8.7 8.6 8.6 8.6 8.6
其他 20.7 20.6 20.3 20.1 19.6

20世紀80年代中期,57%的AGV用於汽車製造業,而在西德則高達64%。從表1可以看出,汽車製造業仍然是AGV的主要應用領域。另外,根據對國外公司物料搬運系統裝備類型的統計,採用自動導向車、有軌搬運車、起重機輥子輸送機懸掛運輸機的分別占41%、29%、9%、10%和11%。

AGV在我國的研究及應用起步較晚。20世紀70年代後期,北京起重運輸機械研究所研製了三輪式AGV。80年代後期,北京機械工業自動化研究所為二汽研製了應用在立體化倉庫中的AGV,沈陽自動化研究所為金杯汽車公司研製了汽車發動機裝配用的AGV。90年代,清華大學國家CIMS工程中心將從國外引進的AGV成功地應用於EIMS的實驗研究;清華大學電腦技術應用系研製了用於郵政中心的AGV;昆明航舶設備研究所研製了激光導向式AGV以及吉林工業大學智能車輛課題組為汽車裝配線研製了視覺導向AGV等。

目前國產AGV在國內的應用主要在汽車裝配線行業,歐美AGV在國內主要應用在卷煙行業。國內AGV技術激光導航器等關鍵部件還是需要進口。

AGV應用行業

  • 倉儲業

倉儲業是AGV最早應用的場所。目前世界上約有2萬台各種各樣AGV 運行在2100座大大小小倉庫中。據瞭解,海爾集團於2000年投產運行的開發區立體倉庫中,曾應用9台AG V組成了一個柔性的庫內自動搬運系統,成功地完成了每天23400的出入庫貨物和零部件的搬運任務。

  • 製造業

AGV 在製造業的生產線中則大顯身手,高效、準確、靈活地完成物料的搬運任務。並且可由多台AGV組成柔性的物流搬運系統,搬運路線可以隨著生產工藝流程的調整而及時調整,使一條生產線上能夠製造出十幾種產品,大大提高了生產的柔性和企業的競爭力。目前,AGV在世界的主要汽車廠,如通用豐田克萊斯勒大眾等汽車廠的製造和裝配線上得到了普遍應用 。

AGV在港口运输中的应用

放大

AGV在港口運輸中的應用

在郵局、圖書館、碼頭和機場等場合, 物品的運送存在著作業量變化大,動態性強,作業流程經常調整,以及搬運作業過程單一等特點,AGV的 並行作業、自動化、智能化和柔性化的特性能夠很好的滿足上式場合的搬運要求。

  • 煙草、醫葯、食品、化工

對於搬運作業有清潔、安全、無排放污染等特殊要求的煙草 、醫葯、食品、化工等行業中,AGV的應用也受到重視。在國內的許多卷煙企業,如青島頤中集團、玉溪 紅塔集團、紅河卷煙廠、淮陰卷煙廠,應用激光引導式AGV完成托盤貨物的搬運工作。

  • 危險場所和特種行業

在軍事上,以AGV的自動駕駛為基礎集成其他 探測和拆卸設備,可用於戰場排雷和陣地偵察。在鋼鐵廠,AGV用於爐料運送,減輕了工人的勞動強度。在核電站和利用核輻射進行保鮮儲存的場所,AGV用於物品的運送,避免了危險的輻射。在膠卷和膠片倉庫,AGV可以在黑暗的環境中,準確可靠的運送物料和半成品

自動導向車的特點

1、運行路徑和目的地可以由管理程式控制,機動能力強。而且某些導向方式的線路變更十分方便靈活,設置成本低。

2、工位識別能力和定位精度高,具有與各種加工設備協調工作的能力。在通訊系統的支持和管理系統的調度下,可實現物流的柔性控制。

3、載物平臺可以採用不同的安裝結構和裝卸方式,能滿足不同產品運送和加工的需要。因此,物流系統的適應能力強。

4、可裝備多種聲光報警系統,能通過車載障礙探測系統在碰撞到障礙物之前自動停車。當其列隊行駛或在某一區域交叉運行時,具有避免相互碰撞的自控能力,不存在人為差錯。因此,AGVS比其他物料搬運系統更安全。

5、AGV組成的物流系統不是永久性的,而是在給定的區域內設置。與傳統物料輸送系統在車間內固定設置且不易變更相比,該物流系統的設置柔性強,並可以充分利用人行通道和叉車通道,從而改善車間地面利用率。

6、與其他物料輸送方式相比,初期投資大,但可以大幅度降低運行費用,特別是在產品類型和工位較多時。AGV在國內限制發展的原因就是價格太貴,一般行業無法接受。

自動導向車的的導向方法與技術

AGV的導向方式不僅決定著由其組成的物流系統的柔性,也影響著系統運行的可靠性和組態費用。直到20世紀80年代,埋線電磁感應導向技術仍然只是可選擇的導向技術之一。隨著電子技術的發展,以及AGV導向技術的多樣化和導向方式的多元化,使AGV的性能進一步提高並能適應更複雜的工作環境,應用也更為廣泛。

導向方法

分類 按信息的來源 按線路的形式
方式 外導式 內導式 有線式 無線式
方法 電磁導向
超聲導向
激光導向
光學導向
標線導向
坐標識別
慣性導向
自主導航
電磁線路
磁帶線路
色帶線路
網格線路
標線線路
超聲導向
激光導向
坐標識別
慣性導向
自主導航

如表2所示,根據AGV導向信息的來源,導向方式可分為外導式和內導式。前者是指在車輛運行路徑上設置導向信息媒體(如帶有變頻感應電磁場的導線、磁帶或色帶等),由車上的感測器檢測導向信息的特性(如頻率、磁場強度、光強度等),再將此信息經過處理,控制車輛沿導向路線行駛。後者是指在車輛上預先設定運行路徑坐標,在車輛運行中實時檢測車輛當前位置坐標並與預先設定值相比較,控制車輛的運行方向,即採用所謂的坐標定位原理。另外,根據AGV導向線路的形式,導向方式又可分為有線式和無線式。外導式中的超聲導向、激光導向和光學導向可以稱為標誌反射法,內導式方法可以稱為參考位置設定法。

導向技術

在上述各種導向方法中,所採用的導向技術主要有電磁感應技術、激光檢測技術、超聲檢測技術、光反射檢測技術、慣性導航技術、圖像識別技術和坐標識別技術等。

1、電磁感應技術

在AGV運行路徑上,開設1條寬5mm、深約15mm的敷線槽,並將導線通以5~30kHz的交變電流形成沿導線擴展的交變磁場。車上對稱設置2個電磁感測器,利用電磁感應原理,通過檢測電磁信號的強度,引導車輛沿埋設的路線行駛。其工作原理見圖1。

自动导向车

圖1 電磁導向方式的工作原理

電磁導向分單頻制和多頻制導向。前者是在整個線路上通以單頻率電流,通過通斷電流信號控制運行。這種方式要求設置集中控制站,併在各線路的交叉和分支處裝設感測標誌和分支路段的通斷介面。後者是在每個環線或分支路線上通以不同頻率的電磁信號,AGV接收到相應頻率的電磁信號時才能運行。此導向方法可靠性高,但是對地面的平整度要求高,改變運行路徑困難。

除變頻電磁感應埋線導向外,還有磁場強度固定的磁帶和磁釘導向方式,其導向原理也是通過車上對稱設置的2個電磁感測器檢測車輛相對運行路徑的偏離程度來引導車輛。

2、激光檢測技術

AGV實時接收固定設置的3點定位激光信號,通過計算測定其瞬時位置和運行方向,然後與設定的路徑進行比較,以引導車輛運行,其工作原理見圖2。

自动导向车

圖2 激光導向智能車

激光檢測技術的導向與定位精度較高,且提供了任意路徑規劃的可能性。但成本高,感測器和發射或反射裝置的安裝複雜,位置計算也複雜。

3、光學檢測技術

採用光學檢測技術引導AGV的運行方向,一般是在運行路徑上鋪設1條具有穩定反光率的色帶。車上設有光源發射和接收反射光的光電感測器,通過對檢測到的信號進行比較,調整車輛的運行方向,其工作原理見圖3。

自动导向车

圖3 光學帶反射方式的工作原理

4、超聲檢測技術

超聲檢測技術是利用牆面或類似物體對超聲波的反射信號進行定位導向,因而在特定的環境下可以提高路徑的柔性。同時由於不需要設置反射鏡面,也降低了導向成本。但是,當運行環境的反射情況比較複雜時,應用還十分困難。

5、慣性導航技術

採用陀螺儀檢測AGV的方位角並根據從某一參考點出發所測定的行駛距離來確定當前位置,通過與已知的地圖路線進行比較來控制AGV的運動方向和距離,從而實現自動導向。

6、圖像識別技術

採用圖像識別技術有2種方法,其一就是利用CCD系統動態攝取運行路徑周圍環境圖像信息,並與擬定的運行路徑周圍環境圖像資料庫中的信息進行比較,從而確定當前位置及對繼續運行路線做出決策。這種方法不要求設置任何物理路徑,因此,在理論上是最佳的柔性導向。

但實際應用還存在問題,主要是實時性差和運行路徑周圍環境信息庫的建立困難。其二就是標識線圖像識別方法,它是在AGV運行所經過的地面上畫1條標識明顯的導向標線,利用CCD系統動態攝取標線圖像並識別出AGV相對於標線的方向和距離偏差,以控制車輛沿著設定的標線運行。

7、坐標檢測技術

採用微型電子坐標感測器通過對電磁場的測量可以確定感測器相對於起始點的2個轉角,即橫擺角和俯仰角。由於1個感測器只能測量出相對於起始點的方位角,不能給出車輛運行距離,即不能確定當前位置。因此,需要採用雙坐標感測器進行定位,其原理見圖4。

自动导向车

圖4 AGV測角與定位原理

測量時,首先確定2個已知距離為L的參考點A和B,為便於計算,以其中1點為起點。當車輛運行到C點時,可以測出2個坐標感測器分別相對於A、B點的角度α和β利用三角測量原理,由A點的坐標可以計算出C點的位置為

x=ytgα

y=L/(tgα+ctgβ)

利用坐標感測器可以實現AGV沿預先規劃的路徑運行。但是微型電子坐標感測器受電磁場的干擾較大。因此,遠距離運行時的定位精度較低。

自動導向車的技術分析與評價

AGV與其他物料搬運方式相比有很多優點,主要表現在導向柔性、空間利用、運行安全性以及使用費用等方面。

1、可靠度

對國外十幾家AGV公司27個系列產品所採用的主要導向技術的統計結果顯示,電磁感應、慣性導航、光學檢測、位置設定、激光檢測、圖像識別所占比例分別為 32.3%、27.8%、16.9%、13.8%、7.69%和1.54%。

其中,電磁感應導向技術的應用比例最高,這表明該項技術已經十分成熟。而機器視覺導向技術應用較少,說明該項技術還需要深入研究和不斷完善。另外,自主導航技術仍然處在研究階段,還有許多技術問題需要解決。

2、適應能力

適應能力是指AGV運行時所經過地面的整潔程度、空間無障礙程度以及光電干擾程度對導向技術的限制。由於不同的導向技術對應用環境的要求不同,因此,某種導向方法的實際應用有可能受到限制。

對於有線式導向技術,如埋線感應、光學導向和機器視覺等,環境要求主要是地面的平整和清潔程度。除了埋線電磁感應式對地面的清潔程度要求較低外,其他幾種方式都要求較高。但電磁和磁帶導向方式對地面的平整程度要求較高。

對於無線式所採用的激光導向技術而言,環境要求主要是空間的無障礙程度。這是由於該種方法要在AGV運行所經過空間的特定位置處設置反射鏡面。因此,需要提供足夠的掃描空間,避免其他物體的干擾。

慣性導向和坐標識別導向技術對運行環境沒有太多的要求。

3、路徑柔性

由AGV組成的物料搬運系統有良好的柔性,但不同的導向技術其路徑柔性有很大差別。

無線式導向方法可以在很短的時間內改變運行路徑,其中有些方法只需改變控制軟體實現運行路徑的變更。而有線式導向方法的路徑柔性相對較差,其中電磁感應埋線導向技術導向路徑的變更最困難,成本較高。

4、運行速度

AGV的運行速度受導向技術的影響很大,主要取決於對導向路徑識別的實時性。所採用的導向技術對路徑的識別能力(如檢測精確性、實時性和抗干擾性等)直接影響運行速度。

有線式導向方法識別路徑的速度快、實時性好,而無線式導向方法相對較差。

5、導向穩定程度

導向穩定程度是指為使AGV沿著規定的路線行駛單位時間內進行糾偏轉向控制的次數和幅度。由於AGV在運行過程中,受某種因素的影響不可避免地產生偏離運動路徑的狀態,因此為了保證運行方向必須對車輛進行轉向控制,引起車輛沿曲線運動,導致車輛擺動,甚至轉向振蕩

一般來講,有線式導向方法對路徑的跟蹤能力強,行駛穩定性好,AGV沿著規定路線行駛的穩定程度高。

6、定停精度

定停精度是指AGV在停車時與預定位置的偏差,它由方向偏差和距離偏差2部分組成。在物料搬運過程中,AGV應能在所要求的工位或貨位上與自動裝卸機構準確對接。定停精度是一項重要的技術指標。

定停精度受導向技術的直接影響並且和控制技術相關。用標線圖像識別技術不僅能識別路徑標線,而且還可以識別停車標識信息,一次柔性定停精度可以達到±5mm。電磁感應埋線式導向技術的一次柔性定停精度為±20mm,而採用其他導向技術時,一般需要輔以二次剛性定位措施才能達到定停精度的要求。

國外先進的AGV製作廠家,導線定位定靠精度可以達到±2mm,激光定位停靠精度可以達到±10mm。

7、信息容量

任何一種導向技術都以能獲取定位信息為前提,但不同的導向技術所獲取的相關信息的容量有很大差別。採用圖像識別技術不僅可以獲得路徑信息,而且還可以獲得工位編碼,加速、減速和停車標識等控制信息,獲取的信息容量大,可提高路徑導向及控制柔性。

8、技術成本

導向技術的技術成本包括二個方面,即製造成本和使用費用。一般來講,無線式導向方法的製造成本較高,而有線式導向方法的使用費用較高。

AGV是工廠及倉儲物料搬運自動化的主要裝備之一,而導向技術決定著由AGV組成的物流系統的柔性。在所述的各種導向技術中,電磁感應埋線式導向技術最成熟,使用可靠;無線式導向技術成本較高,但路徑設置和變更簡單方便,使用費用低;有線式導向技術對地面的平整和清潔程度要求較高,其中電磁感應埋線式導向技術的路徑設置和變更複雜,使用費用高;標線圖像識別技術所能獲取的信息容量大,路徑設置和變更簡單方便,導向控制柔性好,定停精度高,是一種具有廣泛應用前景的導向技術。

自動導引車的研究狀態與發展

五十年代,第一臺自動導引車是由Barrett電子公司在美國開發成功,但在六十年代和七十年代AGV技術主要在歐洲得到發展。八十年代,發展中心又轉移到美國。

目前在國內AGV的應用剛剛開始,並逐漸開始推廣,總體上相當於國外八,九十年代的水平。但從應用的行業分析,分佈面非常廣闊,有汽車工業,飛機製造業,家用電器行業,煙草行業,機械加工,倉庫,郵電部門等。這說明AGV在我國有一個潛在的廣闊市場。

隨著社會科技的發展和市場需求水平的提高,AGV 技術也有其自身的主要發展方向:

  • AGV的市場正向二極化方向發展,一個是向自動化程度高的高檔市場發展;另一個是向流通領域 、 辦公室等大多數人為接點的低檔市場發展。
  • AGV正向多導向方式、智能化發展。

要求現預定的搬運計劃,發揮無人搬運車的優勢,關鍵取決於導向系統。電磁導向方式是最先開發的AGV導向方式,目前應用的範圍最為廣泛。但由於電磁導向方式的缺點,相繼出現了光學導向方式,磁石導向方式,激光導向,標記追蹤導向及圖象感測器導向方式等。多種導向方式充分體現了無人搬運系統高柔性,高效率,高可靠性,低成本的發展特點,並正向智能化方向發展,使AGV技術達到新水平。

  • 對AGV 進行工程可行性分析驗證時,愈來愈多的使用系統模擬方法。專用模擬語言將使用戶使用方便,模擬費用將不斷降低,一般模擬系統包括有彩色圖形輸入與顯示系統,模擬處理機和模擬語言。
  • AGV/AGV模塊化設計研究,由於不同的AGV/AGV之間有許多的模塊的功能是相同的,因此為了能夠適應不同的使用要求和縮短新產品的開發周期,最好是採用模塊化的設計方法,將AGV的各功能模塊設計成不同的系列,再根據具體的使用要求進行組合。
  • AGV系統控制結構愈來愈多地具有跟蹤物料和存儲信息的功能,以支持“準時制”生產,以便允許與AGV間或任何其他控制器進行通信。
  • 把AGV和移動機器人的能夠進行靈活操作的優點結合起來,使之具有更高的科技含量和取得更前沿的應用。
  • AGV在工業領域中的應用將繼續增長,併進入生活服務行業,其中包括辦公室、醫院、賓館、郵政部門、超級市場和高爾夫球場等。

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