淺析AGV關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自動(dòng)導(dǎo)引小車，它是一種以電池為動(dòng)力，裝有非接觸導(dǎo)向裝置和獨(dú)立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動(dòng)化搬運(yùn)車輛。其系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成為柔性生產(chǎn)線、柔性裝配線、倉儲物流自動(dòng)化系統(tǒng)的重要設(shè)備和技術(shù)。

一、AGV系統(tǒng)

AGV控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)及車載（下位）控制系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設(shè)備，主要負(fù)責(zé)任務(wù)分配，車輛調(diào)度，路徑（線）管理，交通管理，自動(dòng)充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負(fù)責(zé)AGV的導(dǎo)航計(jì)算，導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能。系統(tǒng)硬件配置如圖6-1所示：

AGV系統(tǒng)硬件配置

二、AGV的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展概況

曾有國外專家對AGV控制系統(tǒng)需解決的主要問題做了恰當(dāng)?shù)谋扔鳎篧here am I?（我在哪里？）Where am I going?（我要去哪里？）How can I get there?（我怎么去？），這三個(gè)問題歸納起來分別就AGV控制系統(tǒng)中的三個(gè)主要技術(shù)：AGV的導(dǎo)航（Navigation），AGV的路徑規(guī)劃（Layout designing），AGV的導(dǎo)引控制（Guidance）。

1.AGV的導(dǎo)航技術(shù)

AGV之所以能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，導(dǎo)航和導(dǎo)引對其起到了至關(guān)重要的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前能夠用于AGV的導(dǎo)航/導(dǎo)引技術(shù)主要有以下幾種：

1)直接坐標(biāo)（Cartesian Guidance）

用定位塊將AGV的行駛區(qū)域分成若干坐標(biāo)小區(qū)域，通過對小區(qū)域的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，一般有光電式（將坐標(biāo)小區(qū)域以兩種顏色劃分，通過光電器件計(jì)數(shù)）和電磁式（將坐標(biāo)小區(qū)域以金屬塊或磁塊劃分，通過電磁感應(yīng)器件計(jì)數(shù)）兩種形式，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)路徑的修改，導(dǎo)引的可靠性好，對環(huán)境無特別要求。缺點(diǎn)是地面測量安裝復(fù)雜，工作量大，導(dǎo)引精度和定位精度較低，且無法滿足復(fù)雜路徑的要求。

2)電磁導(dǎo)引（Wire Guidance）

電磁導(dǎo)引是較為傳統(tǒng)的導(dǎo)引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV的行駛路徑上埋設(shè)金屬線，并在金屬線加載導(dǎo)引頻率，通過對導(dǎo)引頻率的識別來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。其主要優(yōu)點(diǎn)是引線隱蔽，不易污染和破損，導(dǎo)引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無干擾，制造成本較低。缺點(diǎn)是路徑難以更改擴(kuò)展，對復(fù)雜路徑的局限性大。

3)磁帶導(dǎo)引（Magnetic Tape Guidance）

與電磁導(dǎo)引相近，用在路面上貼磁帶替代在地面下埋設(shè)金屬線，通過磁感應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，改變或擴(kuò)充路徑較容易，磁帶鋪設(shè)簡單易行，但此導(dǎo)引方式易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)的干擾，磁帶易受機(jī)械損傷，因此導(dǎo)引的可靠性受外界影響較大。

4)光學(xué)導(dǎo)引（Optical Guidance）

在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對攝像機(jī)采入的色帶圖象信號進(jìn)行簡單處理而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引，其靈活性比較好，地面路線設(shè)置簡單易行，但對色帶的污染和機(jī)械磨損十分敏感，對環(huán)境要求過高，導(dǎo)引可靠性較差，精度較低。

5)激光導(dǎo)航（Laser Navigation）

激光導(dǎo)引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集由反射板反射的激光束，來確定其當(dāng)前的位置和航向，并通過連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)引。此項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是AGV定位精確、地面無需其他定位設(shè)施、行駛路徑可靈活多變、能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進(jìn)導(dǎo)引方式；缺點(diǎn)是制造成本高，對環(huán)境要求較相對苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）。

6)慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation）

慣性導(dǎo)航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號（角速率）的計(jì)算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和航向，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。此項(xiàng)技術(shù)在軍方較早運(yùn)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)，較之有線導(dǎo)引，地面處理工作量小，路徑靈活性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是制造成本較高，導(dǎo)引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號處理密切相關(guān)。

7)視覺導(dǎo)航（Visual Navigation ）

對AGV行駛區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行圖象識別，實(shí)現(xiàn)智能行駛，這是一種具有巨大潛力的導(dǎo)引技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)已被少數(shù)國家的軍方采用，將其應(yīng)用到AGV上還只停留在研究中，目前還未出現(xiàn)采用此類技術(shù)的實(shí)用型AGV。可以想象，圖象識別技術(shù)與激光導(dǎo)引技術(shù)相結(jié)合將會(huì)AGV更加完美，如導(dǎo)引的精確性和可靠性，行駛的安全性，智能化的記憶識別等都將更加完美。

8)GPS（全球定位系統(tǒng)）導(dǎo)航（Global Position System）

通過衛(wèi)星對非固定路面系統(tǒng)中的控制對象進(jìn)行跟蹤和制導(dǎo)，目前此項(xiàng)技術(shù)還在發(fā)展和完善，通常用于室外遠(yuǎn)距離的跟蹤和制導(dǎo)，其精度取決于衛(wèi)星在空中的固定精度和數(shù)量，以及控制對象周圍環(huán)境等因素。

對國外十幾家AGV公司27個(gè)系列產(chǎn)品所采用的主要導(dǎo)向技術(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，電磁感應(yīng)、慣性導(dǎo)航、光學(xué)檢測、位置設(shè)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(yīng)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用比例最高，這表明該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而機(jī)器視覺導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用較少，說明該項(xiàng)技術(shù)還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導(dǎo)航技術(shù)仍然處在研究階段，還有許多技術(shù)問題需要解決。

對幾種常用的導(dǎo)引方式做簡單的比較如圖7-1所示：

導(dǎo)引方式的比較和選擇

2.AGV 路徑規(guī)劃

隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和物流自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，AGV技術(shù)得到了快速發(fā)展。從一開始對單臺AGV的研究，發(fā)展到了對多AGV組成的物流系統(tǒng)的研究。而多AGV的路徑規(guī)劃作為直接影響多AGV系統(tǒng)整體性能的重要部分，一直倍受廣大學(xué)者的關(guān)注。隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多計(jì)算模型和策略。

韓國的Jung Hoon Lee等人將兩階段的交通控制策略應(yīng)用于多AGV的無碰規(guī)劃，劉國棟等提出了多AGV調(diào)度系統(tǒng)中的兩階段動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的方法。兩階段控制策略離線生成路徑庫，減少了在線運(yùn)算的負(fù)擔(dān)，但是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，動(dòng)態(tài)規(guī)劃的負(fù)擔(dān)加重，不適用于大規(guī)模多AGV系統(tǒng)。其他如Petri網(wǎng)，遺傳算法，Tabu Search算法（禁忌搜索算法）等策略和算法，在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增多的情況下，也有同樣的缺陷。

為了有效地共享系統(tǒng)路徑，時(shí)間窗(Time-window)方法被提出并用于解決多AGV最優(yōu)路徑問題。然而使用時(shí)間窗實(shí)現(xiàn)多AGV路徑規(guī)劃也是一個(gè)NP完全問題，并且在使用時(shí)間窗的模型中，獲得時(shí)間窗的AGV占用路徑時(shí)間過長，容易導(dǎo)致關(guān)鍵路段發(fā)生擁堵，降低系統(tǒng)效率。

1)靜態(tài)環(huán)境中確定AGV 路徑規(guī)劃

AGV 路徑規(guī)劃在智能控制系統(tǒng)中具有重要作用， 對于保證工作的安全性來說具有重要意義。一直以來，很多學(xué)者都對此進(jìn)行孜孜不倦的探索，這也是機(jī)器人學(xué)中最新最熱的內(nèi)容之一。主要研究的是在障礙物的環(huán)境下，機(jī)器人如何尋找到目標(biāo)，也就是選擇合適的路徑規(guī)劃。智能控制下的AGV 路徑規(guī)劃較為重要的兩種形態(tài)，靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃以及動(dòng)態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。

靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃是假定在環(huán)境信息未被完全掌握的情況下，機(jī)器人是通過怎么樣的路徑感知環(huán)境，并且運(yùn)用局部區(qū)域傳播算法。因此這種路徑一般會(huì)在環(huán)境中僅存在靜態(tài)已知障礙物的情況下被采用。但是要分析靜態(tài)環(huán)境中AGV 路徑規(guī)劃，需要解決的一個(gè)問題是在這種環(huán)境中什么樣的路徑才能夠被認(rèn)為是合理的。

總而言之，能夠使AGV 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的就是合理路徑。合理的路徑由路徑的平滑程度決定，路徑越趨于平緩，則AGV 系統(tǒng)將會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。此時(shí)可以將路徑分為四個(gè)種類，第一類平滑程度非常低，表現(xiàn)為路徑的不連續(xù)性，此時(shí)很多存在位置會(huì)表現(xiàn)突變的特性， 這種情況下AGV 系統(tǒng)不容易被控制，因?yàn)檫@些曲線不連續(xù)，無法對其追蹤。第二類，這類曲線相對于第一種來說具有連續(xù)性，但是在切線方向有時(shí)也會(huì)發(fā)生突變現(xiàn)象。此時(shí)也不能夠被AGV 系統(tǒng)控制。第三類，這類曲線不僅具有連續(xù)性的特點(diǎn)， 而且還能在切線方向保持連續(xù)性，因此是較為合理的路徑規(guī)劃，一般情況下也常常被采用。第四類，將以上三類曲線的優(yōu)點(diǎn)都集于一身，但是要生產(chǎn)這類曲線十分復(fù)雜，因此在實(shí)踐當(dāng)中，這類曲線很難被采用。

2)動(dòng)態(tài)環(huán)境中確定的路徑規(guī)劃

在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境的中的路徑規(guī)劃不同于靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。因?yàn)榄h(huán)境變化之后，很多信息無法被掌握，要保證最優(yōu)性在這種情況下是無法被實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)在安全性以及時(shí)間性之間進(jìn)行衡量。在較為復(fù)雜的環(huán)境下，不管決定適用何種性能指標(biāo)，都必須要考慮目標(biāo)吸引、動(dòng)態(tài)安全性以及時(shí)間約束三個(gè)方面的內(nèi)容。

3.AGV的導(dǎo)引

AGV的導(dǎo)引（Guidance）是指根據(jù)AGV導(dǎo)航（Navigation）所得到的位置信息，按AGV的路徑所提供的目標(biāo)值計(jì)算出AGV的實(shí)際控制命令值，即給出AGV的設(shè)定速度和轉(zhuǎn)向角，這是AGV控制技術(shù)的關(guān)鍵。簡單看來，AGV的導(dǎo)引控制就是AGV軌跡跟蹤。這對有線式的導(dǎo)引（電磁，磁帶等導(dǎo)引方式）不會(huì)有太多的問題，但對無線式的導(dǎo)引（激光，慣性等導(dǎo)引方式）卻不是一件容易的事。

AGV運(yùn)行的路徑軌跡

AGV的路徑規(guī)劃是根據(jù)AGV運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)出AGV運(yùn)行的路徑軌跡，AGV單機(jī)按照地面控制系統(tǒng)下發(fā)的段表中的路徑（段）屬性自動(dòng)行駛。AGV的導(dǎo)引控制算法就是解決段表下發(fā)后AGV的參考點(diǎn)如何沿著既定軌跡行走，一般需要實(shí)現(xiàn)直線段和四次方曲線的導(dǎo)引控制。對于不同驅(qū)動(dòng)方式的AGV來說，由于它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不一樣，對應(yīng)的導(dǎo)引控制算法也是不同的。這里簡單討論SD（Steer Driving）型AGV的導(dǎo)引算法：

我們的控制目標(biāo)是AGV的參考點(diǎn)，目的是使AGV能很好地沿著既定軌跡行走。對SD型AGV來說，可以控制的只有AGV前輪的轉(zhuǎn)角和速度，通過運(yùn)動(dòng)模型可知：參考點(diǎn)的運(yùn)行軌跡只和前輪的轉(zhuǎn)向角有關(guān)，所以，要實(shí)現(xiàn)對參考點(diǎn)軌跡跟蹤的控制，實(shí)際上就是對前輪轉(zhuǎn)向角的控制。

在具體的設(shè)計(jì)過程中，利用一種“追蹤導(dǎo)引方法”，即在AGV的運(yùn)行過程中參考點(diǎn)始終追蹤著路徑軌跡上的虛擬點(diǎn)，這個(gè)虛擬點(diǎn)就像在賽狗時(shí)所用到的兔子，AGV永遠(yuǎn)追不上，但又永遠(yuǎn)在AGV前面不遠(yuǎn)的地方；AGV前進(jìn)的方向始終指向虛擬點(diǎn)，通過這樣周期性的調(diào)節(jié)，就可以使AGV以很小的誤差沿著路徑軌跡行走。

三、總結(jié)

AGV系統(tǒng)是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)于一體的高新技術(shù)，是柔性化、智能化程度極高的輸送系統(tǒng)。AGV 技術(shù)仍在發(fā)展中,隨著現(xiàn)代高科技的進(jìn)步,AGV 的性能與功能都將不斷得到提高。AGV系統(tǒng)由于自身的技術(shù)優(yōu)勢,將適合更為廣泛的工業(yè)或非工業(yè)需求,得到越來越廣泛的應(yīng)用。