AGV小車導向技術分析與展望

陳斌 藺露

西安航天三沃機電設備有限責任公司 陜西 西安 710065

引言

AGV小車（Automated Guided Vehicle）是以電池為能源，電機驅動和自動導向的方式實現車輛自動行走及搬運貨物。AGV小車最早由美國公司研發成功，但由于當時電力電子技術對限制一直未能在市場上推廣。我國在智能制造的推動下迎來AGV小車的發展機遇。由于AGV小車能夠按路徑自主行駛，車體上可以集成相關功能執行機構，代替人力搬運貨物，所以被廣泛被應用到了各行各業，已經成為自動化系統、智能制造系統和智能倉儲物流系統中重要組成部分。

一般AGV小車會集成電機驅動控制、轉向控制、路徑規劃、動態決策和環境感知等功能，根據其功能特點，可以將其納入智能機器人這一范疇[1]。其中電機驅動控制、轉向控制、動態決策和環境感知技術相對比較成熟，路徑規劃成為近幾年各大高校和研究機構對的研究熱點。

目前AGV小車的導向方式有多種，不同對導向方式適應于不同環境。已經被研究并應用的導向方式有：電磁感應式導向、光感應式導向、慣性器件導向、激光導向、視覺識別導向和磁條導向。

1.1 電磁感應式導向

20世紀70年就已經有研究機構采用電磁感原理進行導向，這種導向方式實現較為簡單。電磁感應式導向通過一根導線作為導引線，對導引通入直流電流，調整導線中電流的大小使導線周圍形成圓形磁場。距離導線的徑向距離越近磁場越大，距離導線的徑向距離越遠磁場越小[2]。在AGV小車上安裝兩個感應線圈，通過感應線圈產生的感應電流大小來判斷兩個感應線圈的安裝點距離導線的徑向距離大小，進而可以對AGV小車進行導向控制，原理如圖1所示。這種導引方式原理比較簡單，但需要在導向路徑上布設線纜具有較高對施工成本、硬件成本和維護成本，此外導向線纜一旦布設好后很難進行二次更改，所以不適用于復雜路徑。

圖1 電磁感應式導向原理

1.2 光感應式導向

光感應式導向是將具有光反射功能的金屬或非金屬帶布設在AGV小車的行駛路徑上，AGV小車中央設置光源裝置，兩側設置光檢測器，光源裝置照射反光帶后會被光檢測器接收，AGV小車控制系統通過對比兩個光檢測器接收信號的強度判斷AGV小車徑向位置，從而控制導向及驅動系統使AGV小車沿著反光帶路徑行駛。光感應式導向需要將反光帶布設在AGV小車行駛路徑上，所以對路徑的平整度要求較高，同時為了保證反光帶良好反光性，反光帶必須表面光滑干凈。此外，采用光感應式導向，路徑周圍不能有其他光源信號，以免干擾AGV小車光檢測器正常檢測。光感應式導向原理如圖2所示。

圖2 光感應式導向原理

1.3 慣性器件導向

慣性器件導向是基于慣性元件的應用，簡單來講就是在AGV小車上安裝慣性元件，在地面上設置基準點，當AGV小車行駛時控制系統采集慣性元件的水平加速度和水平角加速度，分別對水平加速度和水平角加速度進行積一次分處理便得到AGV小車與基準點之間距離和相對方向。AGV小車通過實際軌跡和規劃路徑軌跡對比得出偏離值進而控制AGV小車沿著規劃路徑行駛。這種導向方式不需要對AGV小車的行駛路徑進行改造，具有快速布置，柔性高，易更改，適用于復雜路徑。慣性器件導向對慣性元件的精度要求較高，此外慣性器件導向對時間的累計誤差較大，所以在實際使用過程中需要每隔一段距離或時間對AGV小車對絕對位置進行校準。

1.4 激光導向

激光導向在最近幾年發展比較快，使用也比較廣泛。激光導向是在AGV小車的行駛路徑兩邊設置反射板，在AGV小車上安裝360度激光雷達，AGV小車在行駛運行過程中激光雷達不斷旋轉并發射脈沖光束，激光雷達能夠計算出接收光束的反射距離，通過AGV小車周圍任意三個光束反射距離、反射板的坐標值和車體縱向軸與反射板水平面內的法線夾角就可以計算出當前AGV小車的位置和當前行駛方向，AGV小車通過實際軌跡和規劃路徑軌跡對比得出偏離值進而控制AGV小車沿著規劃路徑行駛。激光導向方式具有較高對導向精度和導定位精度，但對放射板安裝有較高對要求，控制算法比較復雜，實施成本較高。

1.5 視覺識別導向

視覺導向是在AGV小車上安裝攝像機，通過采集AGV小車行駛路徑上的圖像信息，通過相關算法進一步提取圖像特征數據，構建地圖數據，此外根據測量圖像特征點的距離，對構建出來的地圖數據進行標定，從而完成全局環境的構建。AGV小車在動態行走時通過攝像機采集小車前方的圖像信息實施分析并和已構建的地圖數據進行對比從而確定當前AGV小車的位置[3]。視覺導向方式應用比較靈活，精度較高，能夠適應復雜路徑，路徑更改更為便捷。但由于攝像機容易受到光線對干擾，所以視覺導向方式對攝像機規格參數和行駛路徑周圍的光線都有較高對要求，實現難度較高。

1.6 磁條導向

磁條導向是將具有磁性帶狀材料（下稱“磁條”）布設在AGV小車行駛的路徑上， AGV小車上安裝一行電磁開關，調節磁條與電磁開關的距離，使距離磁條較近（下文稱“近端”）的電磁開關閉合，較遠的電磁（下文稱“遠端”）開關斷開。當AGV小車偏離路徑行駛時，遠端電磁開關閉合，近端電磁開關打開，控制系統由此判斷AGV小車的偏離軌跡，近而調整AGV小車行駛姿態直到遠端電磁開關打開，近端電磁閉合位置。和上文中電磁感應式導向相比，磁條導向具磁條布設方便快捷，成本較低，更改路徑快等優點；同時磁條鋪設在地面上，所以容易被損壞，此外，磁條導向容易受到周圍金屬物質和電磁的干擾，對使用環境有較高的要求。

2 磁條導向的實現方式

磁條導向的實現方式是在垂直于磁條方向上面定距離布設電磁開關，距離保持在剛好可以觸發中間兩個電磁開關為宜。磁條間距越小，數量越多，AGV導向越精確，本例設置12只電磁開關，間距控制在20mm，具體如圖3所示：

圖3 磁條導向原理

從左至右電磁開關方向誤差標定為：E1=-5，E2=-4，E3=-3，E4=-2，E5=-1，E6=0，E7=0，E8=1，E9=2，E10=3，E11=4，E12=5；由此可知當方向誤差為“0”時，AGV小車行駛路徑無偏離；當方向誤差為“負”時，AGV小車行駛路徑左偏離；當方向誤差為“正”時，AGV小車行駛路徑右偏離。

本次設計的AGV小車方向控制系統采用PID控制實現，“方向誤差”為PID控制器輸入，PID輸出為“方向執行輸出”。“方向執行輸出”設置上下限幅，上下限幅為AGV小車的左右轉向極限角度。

根據AGV小車方向誤差，利用比例、積分、微分來計算出控“方向執行輸出”。PID數學表達式為：其中y是調節輸出，e(t)是誤差，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數，Kp是比例系數。原理如圖所示：

圖4 PlD控制原理

圖中r(t)為給定值。當AGV直線行駛時，r(t)設定為0；當AGV左偏移時，r(t)的設定值小于0；當AGV右偏移時，r(t)的設定值大于0；

AGV小車在實際運行過程中，控制系統周期性的采集電磁開關狀態，所以要對“方向誤差”做采樣，對上式進行離散化處理如下：

3 導向技術展望

上文已經介紹了各種導向技術的原理及其優缺點，并著重介紹了磁條導向技術的實現方式。正是因為磁條導向具有施工簡單，易于控制等優點已經被廣泛應用于各個領域之中。但是具有磁條鋪設在地面上，容易被弄臟或者損壞，容易受附近金屬物的影響，對環境要求比較高等缺點。

視覺識別導向以攝像頭作為主要傳感器采集環境數據，完成全局點云或柵格等地圖構建，自動導向時根據事實采集的圖像匹配地圖數據庫，并通過回環檢測等方式消除累積誤差，從而實現自動定位目標。但目前視覺導向對CPU處理速度要求比較高，容易受到環境光線的影響，實際使用效果不佳。隨著計算機視覺相關領域研究的不斷深入，利用攝像頭作為傳感的實時定位系統技術發展很快，基于視覺導向的技術依然是未來研究熱點，并有望在各個行業進行大量推廣。