自動導引車在工業4.0中的應用

尚俊云，暴海寧，馮艷麗，胡　靜

（中國航天科技集團第九研究院第十六研究所，西安710100）

自動導引車在工業4.0中的應用

尚俊云，暴海寧，馮艷麗，胡靜

（中國航天科技集團第九研究院第十六研究所，西安710100）

隨著工業4.0概念的逐步成熟，智能化工廠、智能化生產以及智能化物流將是未來很長一段時間的發展模式，傳統的制造企業會面臨智能化的升級和轉型。在此背景下，從提高工業化生產的自動化程度的角度入手，在生產流水線中引入自動導引車。然后針對每一種導航方式分析其優缺點，并且結合現代化生產方式的特點，通過對具體的應用案例進行分析，從原理上重點闡述了激光導引的情況，同時分析了自動導引車（AGV）的發展趨勢，為企業后續在選擇適合自身特點的自動導引車方面提供了參考。

工業4.0；工業自動化；自動導引車；導引方式；激光導航

0　引言

學術界和產業界將工業4.0的出現看作是以智能生產制造為主要標志的第四次工業化革命。與機械化、電氣化和自動化為標志的前三次工業革命不同，它的革命性主要體現在工業化的生產方法方面，即并不局限于某一種特定技術，而是在信息通信技術基礎上，通過充分挖掘數據，并結合物理信息系統的配套支持，將傳統的制造業進行智能化升級和轉型。它主要包含三個方面的內容：首先是“智能化工廠”，重點研究的方向是智能化的生產過程及智能生產系統在工業領域的應用，以及網絡化分布式生產設施在工業流水線上的實現；其次是“智能化生產”，主要涵蓋企業的物資管理領域、人機交互領域以及3D打印技術在自動化工業生產過程中的應用領域等；最后是“智能化物流”，主要是指通過互聯網、物聯網以及物流網，整合企業從原材料儲備到用戶手中的產品過程中的物流資源，大幅度發揮現有物流資源網絡，提升供應方的生產效率，使中間用戶和最終用戶都能夠快速獲得與之匹配的服務，得到物流系統的支持。

隨著工業4.0技術的高速發展，工業自動化也得到了長足的發展。工業自動化裝備作為智能設備的重要組成部分之一，隸屬于國家“十二五”計劃以及“十三五”計劃期間得到重點扶持和發展的戰略性新興產業［1-3］。在未來一段時間里，隨著有效勞動力的減少、生產原材料價格以及能源價格的大幅上漲，傳統意義上的中國制造業將會經歷一段由低附加值的粗放型生產方式向高附加值的集約型生產方式的逐步轉變。工業自動化裝備作為高端制造業的“基石”，在新時期面臨著傳統產業升級改造以及新興產業高速發展的雙重機遇，高端智能裝備在行業內獲得了高速的增長。前期滲透率較高的數控機床、過程自動化系統、變頻器等產品增速在明顯放緩，而隨著低端勞動力成本加速上行、產業升級進入白熱階段，“替代人工”屬性更強、前期滲透率較低的“高端智能裝備”（如工業機器人、自動化裝配線、自動化倉儲設備等）有望越過產品導入期，直接進入高速成長期，甚至能夠保持年均20%～30%的快速增長。

自2013年以來，中國工業機器人市場表現強勁，市場容量不斷擴大，一些大型跨國公司開始逐步進軍中國的機器人市場，這一發展動向引起了行業內部相關協會的注意，國內新興機器人戰略產業研究機構近期發布的產業投資報告認為，2014年會是工業機器人的元年，國內工業機器人產業將迎來跳躍式的增長［4-7］。

1　自動導引車

在機器人產業迎來飛速發展的大背景下，傳統的物流配送方式和生產方式正在向自動化和智能化的方向發展。在這種發展要求下，柔性制造系統（Flexible Manufacture System，FMS）、物料輸搬運系統（Material Handling System，MHS）以及立體化智能倉儲系統（Stereoscopic Warehouse System，SWS）應運而生，而且隨著相關概念和技術的不斷發展，這三個系統相互協調，在現實的工業化生產中得到了越來越廣泛的應用［8］。隨著工業4.0概念的逐漸成熟，它蘊含的是一種由集中式控制系統向分散式強化型控制系統的模式轉變，主要任務和目標是營造出一個高靈敏度和高可靠性的環境，構造出個性化和數字化的工業產品與社會服務的生產模式。在這樣的生產模式下，以往不同行業間的界限將逐步淡化，使得21世紀制造業將進入一個新階段，智能化制造正逐步成為企業的主要發展模式，能否把握市場機遇研發設計出新一代的產品，并且更進一步提高企業的生產效率將會是企業在激烈的市場競爭中取得勝利的關鍵途徑。

工業自動化是指生產過程或機器設備在無需人工直接參與的條件下，能夠依照預先設定的任務實現測量、反饋及操作等信息處理任務和過程控制任務的統稱。其核心是自動化技術，它是不斷探索和研究如何更快速、平穩、準確地實現自動化生產過程的技術和方法；它是一門綜合性技術，涉及機械、微電子、計算機等多方面技術領域。按照自動化發展的過程而言，工業革命的出現是自動化技術發展的助產士，正是因為工業革命提出進一步的需求，自動化技術才能夠沖破現有的束縛，得到蓬勃高速的發展，同時工業自動化技術的不斷發展也在一定程度上促進了工業的進步。

如今，隨著科技的發展和各種技術的集成化和通用化，自動化技術已經在機械加工制造、信息技術、電力設施、建筑施工、交通運輸等多個領域得到了十分廣泛的應用，成為了提高企業和社會勞動生產率的最重要的手段。與此同時，工業自動化技術還是現代工業發展的重要特征之一，工業化生產企業只有通過不斷推廣應用自動化控制技術，才能夠在提高產品質量及勞動生產效率的同時，節省勞動力成本、降低生產過程中的原材料和能源的消耗，并且確保整個生產環境及過程處于安全可控的狀態中。根據權威部門統計可知，企業對自動化生產設備及自動化系統的投入資金與生產效益提升所得的產出收益比例一般可高達1∶4～1∶6［9-11］。得益于機械制造產業的不斷升級以及國內經濟的蓬勃高速發展，由最近的一個五年計劃的完成情況可以看到，國內的工業自動化行業得到了飛速的發展，年均增長率達到了兩位數。截至2015年底，中國國內的工業自動化市場的規模已經達到了943億元［6］。自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）在生產制造系統中的柔性程度較高，同時具有較好的適應性以及較高的可靠性，能夠實現生產全過程和搬運移載任務的自動化，由于其集成性較高，在很多行業都得到廣泛的發展及應用。在中國，目前能夠生產AGV的企業越來越多，隨著自動化生產、存儲以及運輸在各行各業的的不斷深入和發展，對AGV系統的應用需求也越來越大，同時對AGV的需求也多種多樣［12-13］。

原美國物流領域的協會對自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）的概念是這樣描述的：AGV是自身裝備有電磁導引或光學導引等自動導引設備，可以沿著規定的路徑行駛，并完成轉彎、停車等系列功能，同時還應該具有編程設備、安全保護功能以及各種移載功能的運輸車輛。AGV組成示意圖如圖1所示，它是一種依靠酸鉛電池為動力來源的輪式智能機器人，被廣泛應用于自動化生產線和港口、機場的行李物品傳送以及倉儲物流的物料流轉，為生產系統的集成化、柔性化以及高效穩定的運行提供了重要保證［14］。自動導引車能夠在物流系統或者自動化生產線中完成物料搬運、轉移、輸送的任務，是整個工業生產自動化控制系統和物流運輸自動化系統的最核心組成部分之一。它屬于一種復合控制系統，能夠依據感知到的周邊環境情況作出實時連續動態決策，由運動控制系統對車體的行進過程進行控制操作，能夠滿足生產制造企業的FMS、MHS 和SWS的需求。由于自動導引車具有自主規劃路徑、可編程和可協調作業等特點，它將成為敏捷制造生產裝備及系統的重要組成部分，為傳統的生產制造企業向柔性化敏捷制造企業的跨越式飛速發展提供技術理論的支持。隨著現代化科技水平的高速發展，以AGV為代表的柔性運輸系統和無人化工廠得到了廣泛的應用，已經在智能港口、機場和自動化立體倉庫等物流樞紐場所獲得了可觀的經濟效益，日益顯示出巨大的優越性。根據相關統計數據可知，在現代生產制造業中，企業用于物料轉移及傳送所耗費的時間占總時間的70%～80%，物料傳送、轉移與存儲所花的費用占生產加工總費用的30%～40%，由此可見，對于制造行業而言，生產過程中物料傳送轉移設備的自動化生產水平的高低直接決定了它的生產效率及成本。作為完成物料傳遞和轉移過程的專用平臺，AGV可以通過不同程序的設置來實現單車獨立運行以及多車聯動系統的實時控制管理功能。在實際生產過程中，AGV在上位計算機的指揮和監控下，能夠依據相關的命令自動沿著既定的路線行駛至指定工位并平穩停車，完成預先設定的任務。一套完整的AGV控制系統包含了導航信息的獲取和識別、車體速度的控制與運動調整、RFID精確定位以及實時與上位機無線通信等多種關鍵技術，是一個具有高度自動化的智能信息處理系統［15］。

圖1　AGV組成示意圖Fig.1　Schematic diagram of AGV composition

2013年底，工業與信息化部在其官方網站上發布了《工業與信息化部關于推進工業機器人產業發展的指導意見》，指明了智能裝備的發展方向和市場前景：到2020年要形成較為完善的產業體系，使工業機器人行業及其企業的技術創新能力和國際競爭能力明顯增強。部分省市還提出了“以空間換面積，以機器換人力”的裝備發展戰略規劃［16］。受到產業政策的鼓舞，各行業對傳統裝備的升級換代充滿了期待。正是因為看到了AGV的市場潛力，許多企業積極研發、生產出了各自的產品。2013年，在上海亞洲國際物流展和廣州國際物流展上，眾多AGV企業紛紛亮相，展出了不同特點的產品，如圖2、圖3所示。

圖2　濰柴動力股份有限公司產品Fig.2　Products of Weichai power limited by share ltd

圖3　激光導引叉車Fig.3　Laser guided fork lift truck

按產品發展模式，目前市場上的AGV產品主要分為三類：第一類，擁有國產自主技術的AGV產品；第二類，采用進口技術國內生產的AGV產品；第三類，簡易的進口或自主技術的AGV產品。

按生產企業的性質，國內的AGV企業分為三類：第一類，是以國營資本為主的企業，也是國產自主技術AGV的倡導者，在市場上占有主導地位。這類公司容易獲得國家政策和財政的支持，企業資本相對雄厚，在企業榮譽和社會責任的驅使下，能夠長期對AGV的技術研發進行投入，謀求長期的經濟效益和社會效益，是我國AGV產業發展的基礎。企業以產品滿足用戶的實際應用為目標，以技術和品牌來贏得用戶。第二類，是以民營資本為主的企業，占AGV產業中的多數，一般企業規模不大，但市場意識強，技術上追求簡易、實用，產品價格具有極強的競爭力。該類企業生產的產品被稱為AGC或簡易的AGV，其技術門檻相對較低，對AGV不做運行姿態的要求，可廣泛用于“單一路徑、固定流程”的應用環境，在汽車制造業已經有了大規模的應用。第三類是國外企業在中國的公司或代理商，其產品價格相對較高，銷售方式主要是與物流系統集成商配套。

2　導航方式對比

具體導航方式分為固定路徑導引和自由路徑導引兩大類，其工作原理和優缺點如表1所示。

3　應用實例

如圖4所示，在AGV自動沿預定路徑行駛過程中，激光導引定位系統能夠完成對車體的實時定位與導航的任務，安裝在車體上的激光定位掃描儀一邊不間斷地向四周發射激光束，一邊接收由工作區域內預先放置的具有高反光性能的反射膠貼反射回來的激光束，通過發射與接收到激光束的時間間隔來推導出AGV車體在該時刻的實時位置以及車頭的運動方向，系統將當前位置和運動方向與內置的數字地圖進行對比來判斷并校正行駛方位，實現對AGV運動過程的實時定位與導航功能。在將AGV裝備到自動化的流水生產系統之前，需要把車間的工作環境及地圖存入到控制系統中，尤其是生產線整體尺寸、車體坐標原點的設定、預定軌道的曲線特點以及路徑周邊各個反射板的編號及對應位置，使車載計算機控制系統能夠依據這些場景構建出一個完整的數字地圖，以便在生產流水線工作中與實時采集到的位置信息進行對比［17］。

圖4　激光導引AGV工作示意圖Fig.4　Schematic diagram of laser guided AGV

激光導引AGV的運行示意圖如圖5所示。根據激光的準直性和不發散性可知，它在傳播過程中具有很強的抗干擾能力。激光掃描儀能夠較完整地接收到經過反光板反射的激光信號，通過與發射的激光信號進行比對處理，就能夠達到精確定位的目的。為了減少反射次數，避免干擾，激光掃描儀一般安裝在AGV的頂部，不斷地進行360°旋轉，旋轉周期在數十毫秒左右，同時發出經過調制的激光束。對發射出的激光束與接收到的激光束進行調質解調處理，就能夠得到車體的位置信息。

表1　AGV導引方式對比Table 1　Comparison of AGV guided modes

由于激光的準直性以及不發散性，在工業生產中被廣泛地用于測距定位系統。它通過發射一條激光束，再接收到從物體反射回來的信號，根據兩者的時間差，來計算獲得兩者之間的距離。同時根據激光束發射與接收過程偏轉的角度來確定被測物體與激光發射器之間的相對角度，從而獲得物體的絕對位置信息。三角反射測量法需要形成兩個相對獨立的坐標系，即絕對的世界坐標系和相對機身保持不變的相對坐標系。絕對坐標系以車間廠房為參考，包含了所有經過初始化的激光反光板的位置信息，作為AGV在運行過程中的位置參考。而相對坐標系固定在AGV車體上，隨著車體的移動而移動，保持與AGV的相對位置不變［18-20］。

在激光掃描器導航工作的過程中，需要計算出AGV在絕對坐標系中的當前位置信息（x，y）。由車載的NAV激光掃描器不斷地掃描周邊反光板的位置信息，得到激光掃描器到周圍各個固定的反光板間的距離，通過計算來確定AGV載運行過程中的實時坐標。其計算原理如圖6所示，設A、B、C三點固定處有位置已知的激光反射板，它們到NAV激光掃描儀的距離分別為lPA、lPB、lPC，由它們在坐標系中的數學關系可得以下關系：

從式（1）計算可知，當激光掃描器知道了周邊每一個反光板的準確坐標信息時，就可以精確地計算出AGV的當前位置坐標，得到位置信息。AGV在實際工作的過程中，激光掃描系統能夠通過連續的計算，可以得到AGV在預定軌跡上行駛的位置信息和行駛狀態。

AGV控制系統主要由主控電路、光電導引電路、多功能電路、驅動電路、超聲波避障、按鍵組、報警裝置等幾部分構成。多功能電路主要用于各I/O信號的調理；光電導引電路主要用于色帶導引信號的采集；驅動電路用于實現電機的功率驅動；主控電路主要由DSP芯片和CPLD芯片組成，完成對各種信號的處理，并與手控器進行通信。

AGV控制系統的組成包括：主控板、驅動板、多功能板、導引電路、顯示電路和控制系統軟件。主控板是控制系統的核心，采用DSP作為控制器，用于實現AGV車電機驅動控制、路徑選擇，安全避障等功能；驅動板控制電機的運轉、減速和停止；導引電路是路徑檢測模塊，把采集的光電信號處理后送給控制器，為其路徑的決策提供參考。其控制系統組成如圖7所示。

圖6　導航坐標系Fig.6　Navigation coordinate system

圖7　AGV控制系統組成框圖Fig.7　Block diagram of AGV control system

在AGV進入自主導航工作狀態前，首先應確定車體自身所在的位置，并對車體坐標系進行初始化操作，即通過掃描器確定周邊每一個激光反光板的坐標信息，來矯正相對坐標系的原點。其初始化過程流程如下：

1）將AGV小車移動到絕對坐標系的零點位置后停車，在保持靜止的狀態下，開啟激光掃描器，使激光掃描器能夠掃描到三塊以上的激光反射板。

2）根據激光反光板與激光掃描器之間的角度和距離信息，通過計算獲得激光反光板的坐標位置，這些反光板的坐標信息構成離線地圖中絕對坐標系的坐標參考點。

3）根據計算得到的各個參考點的坐標位置，激光導引系統生成工作場地地圖。

4　意義及發展方向

從2013年的市場情況來看，AGV在中國的應用領域越來越廣，分布在煙草行業、汽車制造行業、電子加工行業以及紡織行業等。物流操作涉及各行各業，AGV是物流裝備中自動化水平最高的產品，擁有巨大的市場空間。呈現出了良好的發展前景。據物流專業媒體統計，2013年物流系統及裝備的市場總額是360億元，其中包括AGV在內的智能搬運類裝備的占比為6.86%，也就是24.7億元。和關節型工業機器人不一樣的是，AGV并沒有在汽車等制造業大規模的使用，受成本、應用技術等因素影響，除了煙草、汽車制造等領域，AGV應用推廣并不順利，市場規模相對偏小。從需求行業來看，汽車制造業對AGV的需求仍然保持了旺盛態勢，在電力行業，AGV作為物流倉儲的配套設備，呈現了上升趨勢；醫藥行業由于GMP認證的推動，包括AGV在內的物流設備需求有明顯提高。

AGV在系統技術上，串聯、并聯和混聯系統都有了切實的應用，AGV已經從原來單一的自動搬運，發展成為了生產中必不可少的工藝裝備，應用模式多種多樣：用于重卡橋裝的AGV，實現了不同型號產品的裝配工藝位置變化；用于化工行業的AGV，實現了不同配方的自動配料工藝流程；用于機械加工行業的AGV，實現了工料在不同工序間復雜的轉運流程。在單機技術上，AGV的導引形式多種多樣，混合導引的方式得到了成功應用；驅動形式不拘泥于電動，成功實現了液壓伺服驅動，用于重工行業的AGV，單車承載能力超過了20t；供電方式多樣化，CPS無接觸能量傳輸，自動換電池，車載充電機等方式都有了成功的應用。由上述分析可知，AGV主要的發展趨勢如下：

1）AGV的技術水平將日益提高。現代AGV技術的最顯著特征是具有智能化。車載計算機的硬軟件技術日益強大，使AGV具有從網絡、無線或紅外線信號接受裝置接收調度中心或客戶指令，自動導引，自動行駛，優化路線，自動作業，運行管理，車輛調度，安全避碰，自動充電，自動診斷等功能，實現了AGV的智能化、信息化、數字化、網絡化、柔性化、敏捷化、節能化、綠色化。現代AGV是24h不知疲倦的聰明車輛（僅在任務間隙時隨機進行短時充電），能主動、自序、有節拍按最安全、快捷的路線執行作業。

2）AGV的動力性能將更趨強勁。AGV設計的難點之一是其動力源裝置的設計。動力源的功率大小直接影響AGV的功用，而動力源的體積大小直接影響整車的體積及外觀造型。傳統的AGV采用鉛酸電池，能量密度小，體積大。隨著電池技術的發展，今年來電池逐步由高能酸性電池發展到開始采用高能堿性電池，以提高環保性能，大幅提高充放電比，目前由充電時間/放電時間比為1∶1提高到現在的1∶12，大幅縮短了AGV的待機充電的時間。動力電池性能及充放電技術的進步，使得現代AGV的動力性能普遍提高，運載能力與行駛特性進一步優化。

3）AGV的綜合技術將逐步機器人化。AGV本身就是一種移動機器人，是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。它集中了傳感器技術、機械工程、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多學科的研究成果，代表機電一體化的最高成就，是目前科學技術發展最活躍的領域之一。AGV的機器人化一直是AGV研究的熱點技術。實際上，在機器人發展的整個過程中，其相關技術都先后在AGV中得到了應用。如智能移動機器人技術涉及的機器人導航與定位，路徑規劃、運動控制等，均在AGV中得到了體現。使得現代AGV無論是專項技術還是綜合性能，均得到了普遍提高，并仍將繼續提高。由于AGV的機器人化，現代AGV已不僅僅是一種沿固定路徑行駛的搬運工具，幾乎可以適合于各種固定的或不固定的運輸場所。

5　結論

隨著工業4.0概念的逐步成熟，AGV應用也得到了迅速的發展。同時，由于現代化生產觀念日益受到重視，對生產線運行、物流系統的柔性要求越來越高。所以在產品轉型升級、多種產品混合生產線運行以及重新組合生產線等方面，AGV必將得到迅速發展和普及應用，這不僅是現代化工業迅速發展的需要，更主要是由AGV本身所獨具的優越性決定的。在“十三五”計劃期間，國家大力強調工業4.0以及一路帶一路的發展模式，在這樣的大環境下，AGV的生產制造企業迎來了春天。目前，AGV在我國煙草、印鈔、汽車、造紙等行業已有大規模應用，呈日益上升的勢頭，并出現了一些新的技術和行業應用趨勢。盡管現在成熟的案例多是AGV在室內的應用情況，但隨著需求的發展，戶外或半戶外AGV技術將逐步完善并進入應用階段。它在工作中與戶外機器人作業相輔相成，完成在相對惡劣的自然條件下的特殊任務生產作業內容。

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TheApplication ofAutomated Guided Vehicle in Industry 4.0

SHANG Jun-yun，BAO Hai-ning，FENG Yan-li，HU Jing
（The 16thInstitute，ChinaAerospace Science and Technology Corporation，Xi’an 710100）

With 4.0 industry gradually mature of the concept of intelligent factory，intelligent manufacturing and logistics will be the developing mode of the future for a long time，the traditional manufacturing enterprises will face the intelligent upgrading and transformation.In this background，from the angle of enhance the automation of industrial production，introduced the automated guided vehicle（AGV）in production line.Then analyses the advantages and disadvantages of each kind of navigation way，combining the characteristics of the modern mode of production，from the principle of focusing on the situation of the laser seeker，follow-up for the enterprise in the choice of suitable automated guided vehicle provides reference.

industrial 4.0；industrial automation；automated guided vehicle（AGV）；direct way；laser navigation

TP242.6

A

1674-5558（2016）07-01252

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.001

2016-01-14

2012年戰略性新興產業高端裝備專項（發改辦產業［2012］432號）

尚俊云，男，碩士，研究方向為工業自動化及工業機器人。