滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV技術(shù)與應(yīng)用

文/闕景陽(yáng) 涂夢(mèng)瑾

隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車(chē)的保有量快速提升，但城市化進(jìn)程的加速和城市規(guī)劃的不合理等因素造成了汽車(chē)停車(chē)位的嚴(yán)重不足。停車(chē)難、停車(chē)亂等問(wèn)題已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的頑疾。

自從我國(guó)立體車(chē)庫(kù)行業(yè)發(fā)展二十多年以來(lái)，加快存取車(chē)效率、提高空間利用率、減少車(chē)庫(kù)施工量、強(qiáng)化產(chǎn)品適應(yīng)性等目標(biāo)始終擺在前列，繼深圳怡豐機(jī)器人科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深圳怡豐”）先后推出梳齒AGV、臺(tái)板AGV以來(lái)，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)停車(chē)AGV產(chǎn)生了強(qiáng)烈的認(rèn)同。

停車(chē)AGV繼承了普通AGV的全向移動(dòng)、路徑柔性靈活、自動(dòng)導(dǎo)航不需要鋪設(shè)軌道、地面適應(yīng)程度高、智能化高等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)庫(kù)相比，AGV停車(chē)庫(kù)具有車(chē)位數(shù)量多、空間利用率高、能適應(yīng)異型場(chǎng)地、自動(dòng)存取車(chē)、存取快速、停車(chē)安全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在不規(guī)則的異型車(chē)庫(kù)中，特別適用老舊車(chē)庫(kù)的改造和新車(chē)庫(kù)的建設(shè)。

AGV停車(chē)庫(kù)處于發(fā)展的初始時(shí)期，為解決停車(chē)難的問(wèn)題開(kāi)辟了新的思路，做出了突出的貢獻(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外主流成熟的停車(chē)AGV多數(shù)以梳齒AGV和臺(tái)板AGV為主。但梳齒AGV需要在地面安裝梳型架，破壞地面增加施工量；臺(tái)板AGV需要載車(chē)板（臺(tái)板），增加了車(chē)庫(kù)的建筑高度并且存取車(chē)需要2次換板，效率不高。這兩款A(yù)GV都屬于有介質(zhì)停車(chē)，即搬運(yùn)、存儲(chǔ)汽車(chē)都需要除AGV車(chē)體外的其他輔助介質(zhì)幫助下完成，這也成為AGV車(chē)庫(kù)發(fā)展的一個(gè)制約因素。

針對(duì)此現(xiàn)狀，深圳怡豐研發(fā)了一款滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV。該產(chǎn)品采用“夾持機(jī)構(gòu)”、“車(chē)載滾筒”和“AGV車(chē)體”三者同步配合的方式，實(shí)現(xiàn)原地對(duì)汽車(chē)的直接搬運(yùn)，在行業(yè)內(nèi)引起較大反響。

一、停車(chē)AGV現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的停車(chē)AGV主要有“梳齒型”、“臺(tái)板型”、“夾輪胎型”等三種形式。國(guó)內(nèi)AGV停車(chē)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展迅速，目前已有近20余家企業(yè)開(kāi)始涉足。其中既有傳統(tǒng)的立體車(chē)庫(kù)企業(yè)，也有工業(yè)/物流AGV企業(yè)。

圖1：梳齒型停車(chē)AGV

1.梳齒型停車(chē)AGV

梳齒型停車(chē)AGV是通過(guò)車(chē)身梳齒型結(jié)構(gòu)與車(chē)位或出入口平臺(tái)的梳型結(jié)構(gòu)交錯(cuò)搬運(yùn)車(chē)輛，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛存取的一種智能停車(chē)AGV，如圖1。梳齒型停車(chē)AGV的工作原理是外梳齒固定，內(nèi)梳齒設(shè)置在AGV上，可進(jìn)行上下交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)AGV的舉升機(jī)構(gòu)上下升降，即內(nèi)梳齒的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的存取。每個(gè)車(chē)位都設(shè)有固定的梳型架，出入口停車(chē)平臺(tái)也需設(shè)置停車(chē)梳型架。2015年深圳怡豐在國(guó)內(nèi)率先研發(fā)出了梳齒型停車(chē)AGV，并在南京夫子廟地鐵站投入商用。

圖2：臺(tái)板型停車(chē)AGV

2.臺(tái)板型停車(chē)AGV

臺(tái)板型停車(chē)AGV是一種通過(guò)車(chē)臺(tái)板搬運(yùn)汽車(chē)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)存取的一種智能停車(chē)服務(wù)機(jī)器人，如圖2。這種停車(chē)AGV的工作方式是：汽車(chē)停放在車(chē)臺(tái)板上，AGV潛入臺(tái)板下舉起臺(tái)板，然后AGV把汽車(chē)和臺(tái)板搬運(yùn)到指定停車(chē)位或者出入口。此類(lèi)型的停車(chē)AGV需要每個(gè)停車(chē)位上都有車(chē)臺(tái)板，每一次的存取車(chē)要有臺(tái)板的2次搬運(yùn)，所以存車(chē)效率不高。由于臺(tái)板AGV的“潛入臺(tái)板”特性，所以車(chē)位可以橫向縱向布置，車(chē)位利用率比較高。

美國(guó)Boomerang和ParkPlus是最早開(kāi)發(fā)出車(chē)臺(tái)板型停車(chē)AGV的公司。Crystal Springs Resort是Boomerang第一個(gè)商業(yè)運(yùn)營(yíng)自動(dòng)代客泊車(chē)系統(tǒng)，車(chē)位數(shù)量40個(gè)。ParkPlus研發(fā)了ParkPlusAGVSystem系統(tǒng)，也是基于車(chē)臺(tái)板交換技術(shù)的停車(chē)機(jī)器人及自動(dòng)代客泊車(chē)系統(tǒng)，目前已在BrooklynHeights、Greenwich等地方的項(xiàng)目中應(yīng)用。2016年深圳怡豐在國(guó)內(nèi)推出了臺(tái)板型停車(chē)AGV，并在阿布扎比等項(xiàng)目上投入商用。海康威視在烏鎮(zhèn)的臺(tái)板型停車(chē)AGV也已經(jīng)投入使用。

圖3：Ray夾輪胎型停車(chē)AGV

3. 夾輪胎型停車(chē)AGV

夾輪胎型停車(chē)AGV是通過(guò)加持機(jī)構(gòu)夾起汽車(chē)輪胎實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的停車(chē)機(jī)器人，如圖3。德國(guó)Serva Transport Systems GmbH公司開(kāi)發(fā)了Ray自動(dòng)泊車(chē)機(jī)器人及自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)，已在杜塞爾多夫機(jī)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。杜塞爾多夫機(jī)場(chǎng)停車(chē)場(chǎng)有大約260個(gè)車(chē)位。乘客存放汽車(chē)時(shí)，將汽車(chē)停放在中轉(zhuǎn)站，隨后中轉(zhuǎn)站的激光掃描器掃描汽車(chē)的外形尺寸和軸距等參數(shù)，并傳輸給Ray；然后Ray根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整叉臂位置，將汽車(chē)抬起并運(yùn)送至指定車(chē)位。

圖4：滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV

4.各類(lèi)型停車(chē)AGV機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)比較

搬運(yùn)介質(zhì)上：梳齒型停車(chē)AGV需要在地面安裝梳型架，臺(tái)板型停車(chē)AGV需要載車(chē)板，夾輪胎型停車(chē)AGV不需要搬運(yùn)介質(zhì)。

存取車(chē)速度上：梳齒型停車(chē)AGV其存取車(chē)簡(jiǎn)單，故速度最快；夾輪胎型停車(chē)AGV速度次之；臺(tái)板型停車(chē)AGV由于需要二次還板，所以速度最慢。

車(chē)位利用率上：臺(tái)板型停車(chē)AGV可以橫向存取車(chē)，可以有橫向、豎向車(chē)位，其車(chē)位利用率最多；梳齒型停車(chē)AGV只能有豎向車(chē)位，但可以做重列車(chē)位，故車(chē)位利用率次之；夾輪胎型停車(chē)AGV只能用側(cè)向車(chē)位，且一個(gè)巷道無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙重列，故車(chē)位利用率最低。車(chē)位利用率是AGV車(chē)庫(kù)的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。

圖5：驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)模塊

二、滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV技術(shù)分析

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV無(wú)需梳型架載車(chē)板等中間介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的直接存取。滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV采用“夾持機(jī)構(gòu)”、“車(chē)載滾筒”和“AGV車(chē)體”三者同步配合的方式實(shí)現(xiàn)原地對(duì)汽車(chē)的直接搬運(yùn)，對(duì)汽車(chē)車(chē)輪和底盤(pán)沒(méi)有損害。

1.滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV的方案介紹

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV(如圖4)由AGV控制單元、載車(chē)控制單元、AGV機(jī)械車(chē)體等三大單元組成。滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV使用四舵輪驅(qū)動(dòng)總成及激光、SLAM導(dǎo)航技術(shù)，AGV在運(yùn)行過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、自旋、橫移、原地掉頭等功能。最大運(yùn)行速度90m/s，可滿(mǎn)足停車(chē)AGV的實(shí)際需求。

AGV控制單元是AGV的基本組成，AGV控制單元由導(dǎo)航模塊、導(dǎo)引模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、通信模塊、調(diào)度模塊等組成。導(dǎo)航模塊是AGV的眼睛，實(shí)現(xiàn)AGV位置坐標(biāo)的獲取。滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV采用激光導(dǎo)航、SLAM導(dǎo)航、磁釘導(dǎo)航三種導(dǎo)航方式，配合先進(jìn)陀螺儀模塊，定位精度在±5mm以?xún)?nèi)。導(dǎo)引模塊完成AGV軌跡的運(yùn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)了：

直線(xiàn)方程：

圓方程：

四次方曲線(xiàn)方程:

B-spline曲線(xiàn)：

等運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤。運(yùn)動(dòng)控制模塊采用Can總線(xiàn)控制電機(jī)速度和位置。Can總線(xiàn)協(xié)議最早是為了統(tǒng)一汽車(chē)車(chē)載設(shè)備間通信的標(biāo)準(zhǔn)而開(kāi)發(fā)的協(xié)議，后來(lái)由于其高速、穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，已經(jīng)被ISO標(biāo)準(zhǔn)化并廣泛應(yīng)用于工控、醫(yī)療等領(lǐng)域，目前依然是歐洲汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV使用Canopen標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議CIA402進(jìn)行先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制，使用2.4GWifi實(shí)現(xiàn)AGV和調(diào)度系統(tǒng)之間的高速通信，同時(shí)接收調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的點(diǎn)、段等路徑信息，發(fā)送AGV自身位置的坐標(biāo)、狀態(tài)信息給調(diào)度系統(tǒng)。

載車(chē)控制單元實(shí)現(xiàn)載車(chē)機(jī)構(gòu)的功能控制，載車(chē)控制單元由滾筒控制模塊和夾持機(jī)構(gòu)控制模塊組成。滾筒控制模塊包括轉(zhuǎn)軸、筒體、滾筒伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成，先進(jìn)的伺服電機(jī)保證了滾筒運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)，控制精度保證在±1mm。夾持機(jī)構(gòu)控制模塊由前后加持機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。

AGV機(jī)械車(chē)體是AGV的基礎(chǔ)部分，是其他總成部件的安裝基礎(chǔ)。AGV機(jī)械車(chē)體由底盤(pán)車(chē)架模塊、驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)模塊(如圖5)、載車(chē)機(jī)構(gòu)模塊等組成。AGV車(chē)體(如圖6)有4個(gè)高強(qiáng)度的低重心底盤(pán)，底盤(pán)裝配了4組帶浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的舵輪模塊及萬(wàn)向輪，使得AGV最大載重3噸。滾筒包括轉(zhuǎn)軸和筒體，轉(zhuǎn)軸和筒體轉(zhuǎn)動(dòng)連接，轉(zhuǎn)軸的兩端分別與中梁和擋邊固定連接，筒體上設(shè)有鏈輪，相鄰?fù)搀w上的鏈輪之間通過(guò)鏈條連接，以使多個(gè)滾筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6：滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV車(chē)體

2.滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV的電氣設(shè)計(jì)

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV由主控制、通信模塊、舵輪行走驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、舵輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、前后夾持機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、滾筒伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)、數(shù)字IO、聲光語(yǔ)音報(bào)警模塊、導(dǎo)航激光傳感器、避障傳感器、手持器、顯示器等模塊組成。主控器是AGV的核心機(jī)構(gòu)，包含導(dǎo)航模塊、引導(dǎo)模塊、通信模塊、電機(jī)控制模塊等。

3.滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV存取車(chē)流程

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV通過(guò)“夾持機(jī)構(gòu)”、“車(chē)載滾筒”和“AGV車(chē)體”三者之間的精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的原地夾取，其取車(chē)流程如圖7，存車(chē)流程則相反。

4.滾筒型無(wú)介質(zhì)AGV創(chuàng)新點(diǎn)

（1）無(wú)介質(zhì)停車(chē)

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV采用“夾持機(jī)構(gòu)”、“車(chē)載滾筒”和“AGV車(chē)體”三者同步配合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)原地直接搬運(yùn)，搬運(yùn)過(guò)程不需要梳型架、載車(chē)板等搬運(yùn)介質(zhì)的參與，滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV屬于停車(chē)搬運(yùn)機(jī)器人的第三代產(chǎn)品，其先進(jìn)的搬運(yùn)方式開(kāi)創(chuàng)了“無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV”的新時(shí)代。

（2）導(dǎo)航方式精度高

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV支持激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和SLAM等多種導(dǎo)航技術(shù)。SLAM導(dǎo)航技術(shù)不需要地面布置反射板，可通過(guò)感知自然環(huán)境實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航，特別是慣性導(dǎo)航技術(shù)的引入，使得滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV的導(dǎo)航、導(dǎo)引精度都在±5mm以?xún)?nèi)。

（3）無(wú)需安裝軌道

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV不需要地面鋪設(shè)機(jī)械、電磁、磁帶等傳統(tǒng)軌道，通過(guò)感覺(jué)周?chē)h(huán)境提取特征點(diǎn)，配合自然導(dǎo)航算法進(jìn)行無(wú)軌道導(dǎo)引。

（4）全向運(yùn)動(dòng)

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV采用了4個(gè)全方位驅(qū)動(dòng)舵輪，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、平移、側(cè)移、自旋、原地掉頭、Spline曲線(xiàn)等多種運(yùn)動(dòng)方式。

（5）速度快

自主研發(fā)的4個(gè)舵輪機(jī)構(gòu)效率高、動(dòng)力足，最大速度可達(dá)1.5m/s,最先研發(fā)的二代驅(qū)動(dòng)可使速度高達(dá)3m/s。

（6）載重大

高強(qiáng)度的低重心底盤(pán)，底盤(pán)裝配4組帶浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的舵輪模塊及萬(wàn)向輪，平均載重2.8噸，最大載重3噸，適合市面上98%的車(chē)型。

（7）車(chē)庫(kù)樓層低、節(jié)省建筑成本

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV底盤(pán)高度110mm，但梳型停車(chē)AGV底盤(pán)高度320mm，臺(tái)板型AGV底盤(pán)和載車(chē)板總高度385mm。滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV車(chē)庫(kù)可以使每層停車(chē)樓高降低至少210mm，節(jié)省建筑成本8%左右。

（8）入口、出口分離，提高效率

無(wú)介質(zhì)停車(chē)技術(shù)的引用，使得出入口的配置簡(jiǎn)單、成本低廉，存入取出口的分離、多取車(chē)口的配置，使得存車(chē)效率提升30%左右，取車(chē)效率提升50%左右。

（9）不破壞地面，施工快

不需要載車(chē)平臺(tái)、梳型架、反射板等，對(duì)地面無(wú)損害，可以隨時(shí)改變停車(chē)位的分布，靈活擺放汽車(chē)，適應(yīng)復(fù)雜的停車(chē)環(huán)境。

（10）技術(shù)先進(jìn)成本低

新技術(shù)、方案的引入，使得AGV機(jī)器人的存取車(chē)效率大幅度提高，成本反而降低，能有效解決停車(chē)難、停車(chē)慢等問(wèn)題。

圖7：取車(chē)流程圖

三、結(jié)束語(yǔ)

滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV的應(yīng)用，場(chǎng)地施工量大幅減少，使得傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)的改造和新停車(chē)場(chǎng)的建設(shè)周期縮短，車(chē)庫(kù)能快速地投入使用。配合高精度的激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、SLAM導(dǎo)航技術(shù)，以及全方位運(yùn)行能力、高達(dá)1.7m/s的運(yùn)行速度、無(wú)介質(zhì)存取車(chē)等特色技術(shù)，可以隨時(shí)改變停車(chē)位的分布，靈活擺放汽車(chē)，能適應(yīng)復(fù)雜的停車(chē)環(huán)境，縮短建筑高度210mm左右，有效降低車(chē)庫(kù)系統(tǒng)成本15%左右、車(chē)庫(kù)建造成本8%左右，相對(duì)傳統(tǒng)停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位數(shù)提高30%左右。無(wú)介質(zhì)停車(chē)技術(shù)的引用，使得出入口的配置簡(jiǎn)單，成本低廉，存入/取出口的分離、多取車(chē)口的配置，使得存車(chē)效率提升30%左右，取車(chē)效率提升50%左右。新技術(shù)、方案的引入，使得滾筒型無(wú)介質(zhì)停車(chē)AGV機(jī)器人在存取車(chē)效率上大幅度提高，成本反而降低，能有效解決停車(chē)難、停車(chē)慢等問(wèn)題。