自動導航車技術發展狀況及在農業領域的應用及前景展望

蒲寶山， 陳永快， 王 濤， 黃雨燕

(福建省農業科學院數字化研究所，福建福州 350001)

自動導航運輸車(AGV)上裝有自動導引機構，能夠引導其沿既定的路徑運行，此外，它能根據新的指令修正運行路線，從而實現物件的移取功能。近年來，隨著AGV自動化、智能化和柔性化等優點的不斷完善，AVG在許多領域發揮著重要的作用。

1 AGV的發展簡介

1.1 AGV的出現

1953年，美國Barrett Electric公司制造出世界第1臺基于埋線電磁感應跟蹤路徑技術的AGV，也被稱作無人駕駛牽引車。這種牽引引導技術的使用一直持續到20世紀70年代初。20世紀70年代中期，AGV開始被應用于載貨運輸方面，主要用于自動化倉儲系統(automated storage and retrieval system)和柔性裝配系統(flexible assembly system)的物料運輸[1]。20世紀80年代初，由于AGV應用領域的擴大，人們開始研究新的引導方式和技術。

1.2 AGV引導技術的發展

直到20世紀80年代，埋線電磁感應引導技術仍被應用于AGV作為引導技術之一。隨著電子技術的發展和工作需求領域的擴大，AGV引導技術趨于多樣化。因此，AGV的性能得到進一步提高并能適應于更復雜的工作環境，應用范圍也更為廣泛。目前，AGV引導技術的發展已較為成熟，根據引導信息來源的不同，引導方式可分為外導式和內導式。外導式引導方式包括電磁引導、標線引導、激光引導、超聲引導、光學引導等。內導式引導方式包括坐標識別、自主導航、慣性引導等。外導式引導方式中的超聲引導、激光引導和光學引導可以稱為標志反射法(beacon system)[2]。內導式引導方式可以稱為參考位置設定法(dead reckoning)[3]。根據AGV引導線路的形式，引導方式又可分為有線式和無線式。其中，有線式引導線路包括電磁線路、色帶線路、標線線路、網格線路、磁帶線路等。無線式引導線路包括激光引導、自主導航、坐標識別、超聲引導、慣性引導等。上述引導方式所采用的引導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[4]。

2 AGV技術在各領域的應用現狀

近年來，AGV被廣泛地應用于各個領域，從需求領域來看，目前我國AGV機器人的需求領域較為集中，主要分布在汽車工業、家電制造等生產物流端，其中AGV機器人銷售額在汽車工業領域占比24%，在電子制造領域占比22%。除了在工業領域的應用外，AGV開始向商業行業推廣應用，其中對AGV需求最大的是電商倉儲物流、煙草和3C電子行業，三者需求量占比分別為15%、15%、13%[5]。

2.1 AGV在汽車工業領域的應用

在發達國家，物流企業工廠內部早已開始大量使用AGV代替人力。比如，日產的追浜工廠約有900臺AGV被應用于工廠內部，成功實現了自動化供應不同車型零部件及高效率混流生產和快捷物流過程。而TOYOTA在肯塔基Georgetown工廠的廠內物流實施了自動牽引車(AGT)和自動化平板車(AGE)改造項目，減少了42名工人，每年節約成本100多萬美元[6]。在我國AGV也被廣泛地應用于物流行業，成為物流自動化不可缺少的一部分。上海大眾汽車安亭生產基地總裝車間配備了7輛智能型自動牽引小車進行裝配物料的輸送，通過AGV物流系統，實現了從卸貨道口上線至流水線工位的全程自動化流轉，不僅減少了鏟車的數量，還降低了裝配工人的體能消耗，提高了效率[7]。上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司車身車間的AVG系統主要用于完成門蓋內外板從沖壓庫房到焊接線對應工位的搬運[8]。奇瑞捷豹路虎汽車有限公司常熟工廠在配件運輸中大量使用AGV機器人，減少了配送人員數量，在提升配送效率的同時降低了員工取件時間和拿錯零件的風險[9-10]。

除此之外，許多學者通過對生產實際的分析以及理論上的計算研究，為提高生產效率提供了許多有效的方法。Digani等提出了基于區域分區設計和動態區域控制的路徑規劃方法，在規避碰撞的同時，實現了AGV在工廠內部不同區域間的負載平衡[11]。Rezapour等在AGV路徑規劃過程中，對汽車廠內機床布局以循環的方式進行重新設計，使得AGV調度路徑最短[12]。侯玲娟等針對不確定需求和時間下的車輛路徑隨機問題，提出了一種帶有自適應機制的規劃模型[13]。

2.2 AGV在電子制造領域的應用

在智能制造時代，AGV機器人越來越受到制造業的青睞。柔性化程度高、堅固耐用、運轉靈活等特點使AGV成為自動化技術升級的重要核心組成部分。國外AGV生產廠家將目光瞄準在了3C制造行業上，3C電子制造行業具有產品多與雜、更新周期短、系統集成難等特點。激光AGV成為3C裝配自動化的剛性需求。因激光AGV能實現從原料倉到生產線再到成品倉的自動化物料運輸，大大提高了搬運的柔性化程度，且在不改變原有產線的前提下實現了快速部署，形成柔性生產線[14-15]，實現多品種、小批量的生產方式，使得制造業向工業4.0時代的智能柔性生產線邁進了一步[16]。

激光場景導航AGV小型化、簡單化等特性符合3C電子生產需求，將AGV應用到3C電子生產中大大提升了生產效益。在3C電子行業中已經有十多個非常成熟的案例[17]。其中激光AGV自動進出電梯的案例得到了行業的充分認可；與現代物流配合實現了柔性搬運、傳輸、點對點自動存取高架箱儲；在手機制造等行業中，將關節機器人和移動AGV相結合，從而使一臺機器人能夠同時完成多個工位點之間的作業，進而使生產線柔性化程度大大提升[18-20]。

2.3 AGV在倉儲領域的應用

在倉儲領域AGV也發揮著重要作用。貨物出庫為AGV倉儲搬運的第1步，AGV系統在接到訂單后進行訂單貨物存儲位置及剩余數量查詢，通過感應器掃描外觀確定是否為目標貨物，確認后下達搬運指令，執行搬運工作。AGV搬運系統需要在接收到控制終端的執行指令后依次進行貨物掃描、貨物提取及貨物數量確定，在固定的傳輸路徑中進行貨物傳送工序[21]。AGV智能貨物搬運設備在智能物流中發揮了良好的作用，其不僅可被應用于倉儲企業貨物的智能挑選、貨物移動，而且可以在立體貨物儲存庫內進行自動貨柜轉運工作，如亞馬遜的Kiva機器人、阿里的“曹操”倉儲機器人、京東的無人快遞送達等[22]。針對AGV倉儲搬運貨物時的路徑規劃，M?hring等研究了AGV行駛的最短路線，同時計算出了可以行駛的所有路徑的距離[23]。Duinkerken等研究了k條路徑的使用情況，根據使用情況選出無碰撞路徑和最短路徑[24-28]。雷定猷等以最短路徑為主要研究目標，結合任務優先級，總結出一套基于混合遺傳算法的模型[29]。袁穎河等針對路徑規劃的多樣性及動態變化性，以模糊數學為理論研究基礎，提出了基于路徑動態變化的規劃算法[30]。劉國棟等提出了一種二階段動態路徑規劃算法[31]。國內外還有很多學者及專家對AGV路徑規劃及調度算法問題進行了研究[32-34]。

2.4 AGV在煙草領域的應用

AGV作為現代自動物流系統中物料自動搬運的最佳解決方案，被廣泛應用于國內外各卷煙企業。對于AGV在卷煙廠生產線上的應用，國內主要集中研究了小車行走路徑和小車運輸能力對車間調度的影響[35-36]。國外某卷煙廠在卷包機組進行新舊更替的同時，對卷包機組的位置進行優化調整，以便于改善AGV的路線，減少AGV的行走路程，發揮出AGV系統運行流暢和高效的優勢[37]。而國內企業，湖南中煙工業有限責任公司長沙卷煙廠自引進AGV系統以來，其自動物流系統的信息化、柔性化、節能化等程度均不斷提高[38-39]。長沙卷煙廠的AGV系統主要用于輔料庫物料輸送、周末與換牌等時間段的剩余物料返庫回收，并兼送機臺廢料桶至垃圾站[38-39]。此外，眾多學者為提高AGV的工作效率進行了許多研究，如張遠春等以生產線產能最大化為目標，以生產工藝、路徑、調度規則等為約束條件，建立了以AGV數量為決策變量的數學模型來描述AGV數量配置問題，針對該問題的復雜性，提出了基于仿真的優化方法[40]；金芳等研究了山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠的AGV運輸系統操作流程，提出運用排隊理論解決AGV路徑規劃及調度問題[41]。

2.5 AGV在其他領域的應用

隨著社會科技的發展以及工作能力和效率相對應的提高，AGV的優點被逐漸發掘，被廣泛地應用于各種各樣的工作領域中。除了上述幾大應用領域外，AGV在郵局、圖書館、港口碼頭、機場、醫藥、食品、化工、危險場所和特種行業等領導都起著重要的作用[42-45]。如在郵局、圖書館、醫藥和食品等領域AGV和智能識別系統結合將快件、書籍、藥品以及食品分類，另外被應用于碼頭集裝箱裝卸以及銜接橋吊作業和堆場作業等方面[46]。替代集裝箱拖車的AGV技術目前成為研究的熱點，AGV正逐漸成為集裝箱自動化碼頭內的主要水平運輸工具。此外，AGV在眾多領域仍具有許多可利用的潛能。

3 AGV在農業領域的應用和前景

3.1 AGV在農業領域的應用

隨著現代農業自動化科技的發展，AGV被人們嘗試應用到農業生產過程中，并且取得不錯的效益。農業機械自主導航在20世紀20年代開始應用，導航方法從早期的機械觸桿導航、預埋電纜導航等演變為如今應用較多的激光導航、慣性導航、全球定位導航以及組合導航等[47]。直到20世紀80年代末90年代初才將視覺導航系統應用到農業機械自主導航中[48-49]。不同的導航方式有各自的優缺點，視覺導航系統主要是利用攝像機采集農田環境信息，并對采集的信息進行處理和分析后提取感興趣區域(ROI)，然后從ROI提取特征點，并進行直線擬合，最終獲取導航參數，控制系統通過獲取的導航信息，調整農業機械的行駛狀態，使機器能夠沿著導航路線行走[50-51]。華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室將視覺AGV應用于溫室盆栽植物自動輸送中，實現了盆栽植物的高效輸送作業，促進了機械化、自動化育種、選種生產的快速發展[52]。

3.2 AGV在農業領域的前景分析

從AGV在農業領域應用的成功例子上可以看出，AGV在農業領域有一定的發展前景。AGV視覺導航系統能夠對農作物的生長狀態做到完美監控；解決農場果蔬采摘后因勞動力問題無法將新鮮果蔬及時運送至保鮮庫，導致果蔬在采摘后品質變差問題；解決生產過程中自動化和效率性問題，如將育苗床上的新苗運載到相應培養基，各種生產材料、工具配送到目的地等。農業設施自動化應用已成為一種發展趨勢，特別是在人工勞動力成本不斷加大以及過度依賴勞力而引發的一些滯后性問題的解決上。結合AGV的發展趨勢以及國內外的應用情況，將AGV系統應用于農場領域，可以進一步促進現代化農場轉型發展，解決勞動力成本較高的問題，降低工人勞動強度，改善農場自動化生產管理水平，提高農場生產效率等。因此，AGV在現代農場中的應用問題逐漸得到國內外學者的關注。

4 AGV在國內農業領域應用所存在的問題與建議

4.1 存在的問題

目前國內AGV應用技術還處于初級階段，核心技術的發展還不夠成熟，關鍵元器件還需進口，生產廠商僅僅只能算是集成商，AGV技術的發展任重道遠。從AGV市場需求角度來看，有一定的加速態勢，發展勢頭較好。因此更需要廣闊的市場發展空間和技術發展空間來滿足AGV的發展勢頭。但是目前國內的市場需求相對較小，使得AGV的銷售存在一定問題，從而會在一定程度上影響到AGV技術的發展，導致我國AGV技術發展緩慢。

我國農業自動化還不夠普及。農業自動化不夠普及導致農戶對自動化產品接觸較少，對AGV的了解更少。前期較高的投入和不可預估的經濟效益收入使得自動化意識較低的農戶較難以接受AGV技術，因此農戶對AGV的引進和使用較少。

使用成本與前期投入較高，對小規模農業農戶來說難以接受。尤其對于我國南方地區農業，大多數是小家小戶型農業，大農場數量相對較少。對于大多數小農戶來說，AGV性價比較低。這也是目前AGV在農業領域不能普及應用的主要原因之一。

AGV的使用與應用技術受溫室環境影響較大。AGV自動導航系統需要在一定的條件下才能完成工作任務，植物在生長過程中的變化會對AGV路線產生一定的干擾。溫室中潮濕的環境對某些特定引導方式的AGV路線精準度會有一定的影響。

4.2 解決問題的幾點建議

引進國外先進技術的同時，需要消化、吸收國外先進技術與工藝。根據我國溫室現實需求，對引進的技術進行相應改造，升級成適合國內使用的AGV產品。借鑒其他領域AGV成熟的應用經驗，結合農場的需求現狀，對核心技術不斷地進行提升和改造，并進一步推廣應用于農場中。

進一步提升對農業設施設備發展的相關政策扶持力度。一方面對農戶購置農業設備進行一定程度的補貼，同時減少農業設施的購置稅收，降低消費者購買設備的經濟壓力。另一方面加強對農業自動化技術的宣傳，提升農民的農業自動化意識，同時政府應加大對設施設備的科研開發力度，普及適用于我國溫室農場的AGV技術。

注重從業人員的實際技能培訓，提高從業人員的技能與素質培養。我國與農業發達國家的差距本質是人才的差距，政府和農業有關職能部門應重視人才隊伍的培養，尤其是懂農機與農藝的復合型人才以及溫室綜合性管理人才的發展和培養。

5 總結

隨著自動導航運輸車(AGV)的發展，AGV的應用領域擴大，解決了生產過程中勞動力不足、效率低、不夠精準等問題。同時，AGV在農業領域的應用具有良好的發展前景。我國應加大農業設施的應用和發展步伐，引進和吸收國外先進的AGV技術，結合我國農業生產現狀，合理地將其推廣至農業領域中，充分利用AGV的潛在價值，推動我國溫室設施裝備自動化的發展。