乘用車制造企業停車場導入AGV的可行性分析

AGV（Automated Guided Vehicle）是一種自動化、無人駕駛的智能化搬運設備。隨著信息技術及智能控制的發展，煙草、電商、汽車制造、制藥等越來越多的行業開始在物流運作中引入AGV，并以此代替人工，從而有效解決作業效率的問題。在重載AGV方面，2015年以來，室內泊車AGV、碼頭集裝箱AGV、機場AGV等也都陸續出現商業化運用的案例。

對于乘用車制造企業而言，每天都有大量的商品車搬運作業，對AGV也有著更為緊迫的需求，但受技術限制和AGV產品成本的影響，目前仍未出現規模化商業應用的案例。本文將以南方某車企為背景，主要探討車企商品車停車場關于AGV的技術需求和實現路徑。

一、停車場AGV應用的必要性分析

1.停車場運作模式介紹（圖1）

國內車企的商品車停車場一般都是平面停車場，本文所述案例的停車場規劃庫位為2800臺，每3～4臺為一列橫向并排停放，每日對應工廠下線商品車為2000臺左右，日均工作時間約16～20小時。

商品車的搬運分為兩個階段：一是下線入庫搬運，作業人員將商品車由總裝車間搬運至停車場庫區，并隨小巴返回至總裝車間，6～8人/組，往返循環；二是出庫搬運，將商品車由停車場庫區搬運至拖車裝車點，6～8人/組，往返循環。

為了保障停車場的運作，車場從事搬運的作業人員為70人。

2.人工搬運面臨的新問題

當前，停車場采用人工搬運主要面臨兩個方面的問題：一是隨著人工費用逐年上升，場內運作成本越來越高。通過對案例車場的統計，人工支出約占車場運作成本的80%，與2010年對比，10年間車場的運作成本上升了120%；二是采用固定搬運人員的方法無法滿足日漸彈性的業務需求，比如以下情況：①銷售市場的變化以及品質異常帶來的作業量波動；②南方的暴雨和夏天的高溫，都會造成搬運效率下降；③多式聯運模式的發展，需要車場能夠對應每周7天的發車。

如果能夠在商品車停車場導入AGV，則能夠有效解決上述問題。

二、目前泊車AGV發展的介紹

1.導航模式

圖1 車企商品車停車場運作模式

圖3 臺板型AGV

圖4 星航機電潛入牽引式夾輪型AGV

從導航方式上看，目前泊車AGV常用的主要有磁釘導航、激光SLAM導航、慣性導航和差分GPS導航等。

（1）磁釘導航

磁釘導航是利用在地面布置磁釘實現導航的方法。這種導航方式的定位精度與磁釘的密度直接相關，精度要求越高，磁釘就會布置得越密集。

（2）激光SLAM導航

SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）即同步定位及建圖，這種導航是指讓AGV在運動過程中根據自身攜帶的傳感器和對周圍環境的感知進行自身定位，同時構建環境地圖。激光SLAM導航不需要預先鋪設任何軌跡，方便導航路線的更改，并實現實時避障。此技術最大的優點是AGV定位精確，行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現場環境，缺點是制造成本高，對環境要求相對苛刻（如外界光線、中間無遮擋、能見度等要求）。

（3）慣性導航

INS（Internal Navigation System）即慣性導航系統，是一種自主式導航系統，多用于航空航天。它是利用慣性元件（加速度計和陀螺儀）來測量運載體本身的加速度，經過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位的目的。慣性導航可不按固定路線行駛，適用于任何氣候條件，且數據更新頻度高、短期精度和穩定性好；缺點是產品成本很高，AGV引導的精度和可靠性，與陀螺儀的制造精度相關，定位誤差隨時間而增大，長期精度差。

（4）差分GPS導航

GPS（Global Position System）導航是目前非常通用的導航方式，由于GPS 數據可靠性不高，在AGV行走過程中，可能發生GPS數據丟失，導致車輛自身失去方向，故可采用與其他方式組合輔助完成導航進程，比如實時動態差分技術（Real-time kinematic，RTK）。RTK GPS是由一個GPS 基站和移動站的數據差分完成的，定位精度高達厘米級，因而在無人車的導航中已獲得廣泛應用。

2.車輛的交換模式

從AGV與商品車接觸的方式上，目前有“梳齒型”、“臺板型”、“夾輪型”等三種形式。

（1）梳齒型

所謂“梳齒”，就是擁有多個齒隙的類似金屬梳子的裝置。梳齒型AGV（圖2）的工作方式為：內梳齒固定，外梳齒設置在AGV上，搬運器利用梳齒間隙，通過AGV上下升降移動實現梳齒的交叉換位，從而實現車輛的搬運交接。每個車位都設有固定的梳型架，出入口停車平臺也需設置停車梳型架。

（2）臺板型

臺板型（圖3）是立體車庫中應用較為廣泛的一種轎車搬運方式。該AGV工作方式為：汽車停放在臺板上，AGV鉆入臺板底下舉升臺板，然后把轎車和臺板一同運載到指定位置上。此種類型的AGV需要每個停車位上配置臺板，并且因為需要存取空臺板，搬運效率相對較低。

（3）夾輪型

夾輪型AGV是通過夾持機構抬起轎車輪胎實現搬運。夾輪型從夾持機構與轎車的位置關系也分為三種：一種是潛入牽引式（圖4），即AGV夾輪機構潛入車底打開機械手，固定車輪后抬升，由牽引車頭驅動實施搬運；第二種是環抱式（圖5），即AGV呈U型框架結構，運作時，轎車被AGV框架包圍，夾持機構設置在AGV車體框架中；第三種是滾筒式（圖6），即通過滾筒的作用，將商品車移動到機構中，夾輪胎固定后實施搬運。

圖5 杜塞爾多夫機場使用的 RAY夾輪型AGV

圖6 深圳怡豐滾筒式夾輪型AGV示意圖

三、商品車停車場AGV的技術需求

車企商品車停車場與室內泊車有著相同的搬運對象，對載重、定位精度、避障能力、安全保護等基本需求是一致的，但因為商品車停車場的運作環境更為復雜，搬運頻度也更高，因此有以下更加苛刻的使用要求：

需求①：車場改造少

提出車場改造少的原因主要是基于三個方面的考慮：一是較少的成本投入；二是在AGV車輛和系統發生異常時，為了不影響工廠生產下線，能迅速切換到人工對應模式；三是便于今后布局規劃的調整。

需求②：使用環境要求高

商品車停車場多為露天環境，需要在任何天氣情況下都能運作，包括臺風、暴雨、霧霾、高溫、高濕等極端環境。

需求③：通過性好

本案例車場的庫位為5.3m×2.6m；通道寬度7m，車場有一定的沉降，最大坡度5°；要求AGV能夠在載有商品車的情況下正常通過，因此AGV轉彎半徑要盡可能小，最好能實現全向運動。所謂全向運動，是指可實現前進、后退、轉彎、平移、橫移、原地掉頭、任意方向斜行等多種運動方式。

需求④：高強度作業

要求AGV能對應生產線的稼動，單臺連續作業至少8～10個小時，所以要求電池的持續使用時間在10個小時以上。

需求⑤：控制系統要求高

控制系統負責任務調度、車輛管理和交通管理。車場面積大，投入的AGV很多，當系統中多個AGV 同時工作時，調度問題就變得非常復雜，而且對應車場4臺/列的停放，經常會有從中間拔取1臺商品車的作業需求，這就要求多機聯合作業，良好的控制系統可使各臺AGV之間緊密協作，大大提升系統效率，減少運行成本。

需求⑥：行駛速度高

導入AGV，企業要看到經濟效益。因此，導入AGV的產品成本和使用成本要低于目前使用人工搬運的模式。拋開導入AGV后的使用成本，目前僅AGV的產品投資其實已非常昂貴（參考寧波新松機器人科技有限公司的資料，一臺10t負載的AGV生產成本在50～70 萬元之間）。在單臺AGV成本一定的情況下，運行速度越高，則投入的AGV數量就越少。以怡豐自主研發的滾筒式停車AGV為例，其最大速度可達1.7m/s，雖然這一速度在泊車AGV里已經很高，但試想如果能達到現有人工搬運的速度，即4.2m/s左右，就可以減少60%的機器投入。

四、車企商品車停車場AGV的可行性探討

對應前文所述的使用要求，下面分析一下商品車停車場AGV的可行技術路徑。

1.導航技術角度

上文介紹過，適合室外應用的導航方式有磁釘導航、激光SLAM導航、慣性導航和差分GPS導航。為避免商品車損傷，無論采用“梳齒型”、“臺板型”、“夾輪型”中的任何一種，均需要實現厘米級定位精度。考慮到投入成本，以及車場布局的變化需求，首先排除磁釘導航的模式。

激光SLAM導航和慣性導航都能滿足靈活多變的條件，但它們也有各自缺陷，激光SLAM導航無法滿足室外極端氣候環境的要求；慣性導航不受氣候條件限制，但使用較長時間后會產生精度問題。GPS導航在室外導航中，由于建筑物的遮擋會導致數據失效，在短時間內，可以采用慣性導航系統進行補充，但是由于慣性導航隨著時間增加輸出誤差較大，在遮擋物面積較大時，不適合使用慣性導航系統進行輔助導航。對于這種情況，選用里程計作為導航的主要輔助設備，在GPS丟失時，系統導航自動切換到里程計數據上。里程計是借助于車輪的轉動直接測量載體在地面行駛的路程，因此里程計適合于高精度的組合導航應用。

表1 從技術需求滿足角度評價各類型AGV

單一的導航方式都可能存在風險，為了提高冗余度，AGV導航最好的方案是采用“激光SLAM+差分GPS+慣導+里程計”等多傳感器融合的導航方式，即以車輪速度和轉角推算車體里程信息為導航主要方式，差分GPS+慣導坐標數據或激光SLAM數據實時校準，實現AGV高精度高可靠性航位推算，實現全天候全工況下的厘米級定位需求。

2.車輛交換模式

從車輛交換模式角度分析，因為各類型AGV的具體參數很多是可調整的，我們僅從技術需求絕對無法滿足的角度來進行淘汰分析。具體見表1。

首先，梳齒型AGV和臺板型AGV都屬于有介質停車，即搬運、存儲汽車，都需要在除AGV車體外的其他輔助介質幫助下完成，這無法滿足“需求①”即車場改造少的前提。而且臺板型AGV抬升高度有限，無法對應較大的坡度，通過性受到影響。因此，梳齒型AGV和臺板型AGV都不是車企停車場AGV的技術方向。

接下來看夾輪型的三款AGV：（1）潛入牽引式AGV結構簡單，能適用于復雜的工作環境，但因為它是由牽引車頭驅動，無法實現全向運動，導致轉彎半徑過大（8m以上），無法滿足通過性的要求。（2）滾筒式AGV導入了獨立的滾筒機構，這可以減少對夾臂的承重要求，但是滾筒機構的高度僅有110mm，通過性方面會受到影響，而且在車場遇到暴雨有積水的情況下，滾筒機構的電機和傳感器的工作都可能會受到影響。（3）環抱式AGV能滿足上述所有技術需求，成為可行的技術路徑。

環抱式AGV盡管在技術上能滿足需求，但也有自身的缺點。環抱式AGV把電池和夾輪機構都放置在環抱的車體中，所以它的外觀尺寸會比其他AGV大。從環抱AGV的U型框架進入的方向上（相對于商品車）進行區分，有側向環抱和正向環抱兩種方式。

前文圖5中的杜塞爾多夫機場使用的RAY夾輪AGV，是采用側向進入的方案。這種方案會帶來兩個問題：一是使用這種AGV，車場必須采用商品車車頭與通道方向平行的布局，在發生異常轉為人工作業時，無法進行中間位停放和拔取作業；二是車場利用率降低。一般在庫位設計時，需要為打開車門設置一定的空間，所以橫向會保留較多距離。以本案例的車場為例，車位尺寸是5.3m×2.6m，假如最大的對象商品車尺寸為5m×2m，正常停放時，前車尾與后車頭的距離是300mm，左右并排車門之間的距離為600mm。如果是側向進入，則AGV兩側車體框架的寬度必須要小于前車頭與后車尾之間的距離，考慮到安全性，起碼要控制在15mm以下，這樣的寬度顯然是無法容納舵輪機構的。為此，如果要引入側向AGV，則需要對車場布局進行改動，增加前后車之間的距離，這必然會降低車場的利用率。因此，只有正向進入的模式才是最可行的方向。

五、結束語

綜上所述，面向車企商品車停車場的使用需求，在進行較少車場改造的前提下，泊車AGV要能面對復雜的氣候環境、具有較好的通過性、較長的使用時間，可進行多機協同作業，并以較快速度行駛，因此采用“激光SLAM+差分GPS+慣導+里程計”多傳感器融合導航方式的正向環抱式夾輪型AGV成為可行的技術路徑。當然，考慮到經濟效益，需要解決單品AGV成本和控制系統開發成本較高的問題。隨著AI技術的發展以及規模化的產業應用前景，這個課題應該很快會得到解決，相信不久的將來，越來越多的車企商品車停車場、區域中轉庫、滾裝船碼頭等都將會看到室外泊車AGV的應用。