AGV系統關鍵技術及其在汽車總裝車間的應用

于海月 董欣陽

摘要：AGV已經在倉儲物流、汽車制造、港口碼頭等領域廣泛應用，并不斷地向其他領域滲透。AGV系統具有較強的柔性，整個AGV系統既相互關聯又相對獨立，可以通過增減AGV的數量或調整AGV的速度適應不同的生產節拍。對AGV的導航技術、定位技術、安全技術、驅動形式及供電形式做了詳細介紹，并列舉了AGV在汽車總裝車間的應用場景，對AGV技術的發展及其在總裝車間的應用具有一定的借鑒和參考意義。

關鍵詞：目標檢測；深度學習；變速器；裝配防錯

自動導引車（AGV，Automated Guided Vehicle）已經在倉儲物流、汽車制造、港口碼頭等領域得到了廣泛應用，并不斷地向其他領域滲透[1]。

相比傳統的輸送系統，AGV應用于汽車總裝車間具有顯著的優勢。首先，AGV可以自由地在連續運行模式和步進運行模式間切換，兼顧快速輸送和工人作業的便利性。其次，整個系統相互關聯又相對獨立，如果系統中某臺AGV發生故障，可以迅速撤出或更換備用AGV，從而恢復系統運行，并大大降低故障修復時間。還有，AGV系統還具有較強的柔性，通過靈活地增減系統中AGV的數量，或調整AGV的運行速度，便可達到適應不同生產節拍的目的[2]。

此外，AGV還可以用于車間物流配送系統，替代人工配送，不僅可以提高物料配送的準確率和及時性，還可以提高配送效率，降低人工成本。

AGV系統關鍵技術

1.導航技術

（1）磁條導航? 即通過在地面規劃磁條來對AGV進行路徑引導。磁條導航器讀取地面磁條磁場的變化，并將磁場強度的變化以模擬量-10～ +10V的形式發給車載控制器的模擬量輸入模塊，車載控制器據此對AGV舵機進行PID控制，修正其位置偏差，以防止AGV脫軌。磁條導航不受室內光線、灰塵、油污等環境因素的影響，導航方式較為可靠，且施工周期短、成本低，便于后期路徑變更，因此得到了廣泛的應用。但磁條的磁場強度容易受到地面磁性物質的干擾，導致磁條導航器采集信息偏差，致使AGV脫軌。因此，采用磁條導航時，地面不允許有磁性物質或磁性物質需均勻分布。

（2）激光導航? 是在AGV上安裝激光導航器，同時在運行路徑沿途的墻壁或立柱上安裝激光反射板。反射板需要與激光導航器位于同一高度，這樣激光導航器發射的激光束才可以被沿途的反射板反射回發射器。激光導航器至少需要同時接收三個反射信號，才能夠計算出車輛當前的方位及運動姿態，通過與設定路徑對比進行調整，從而實現自動運行。激光導航安裝便捷，路徑易于更改，適用于倉儲物流等復雜工作路徑和工作環境。但激光導航器和反射板成本較高，系統計算和構圖算法較為復雜。

（3）視覺導航? 即AGV通過車載視覺傳感器采集地面圖像信息，通過一系列圖像處理技術，得出AGV的位置信息和姿態信息，由相應的物理模型進行坐標系之間的轉化。接著將位姿參數發送給運動控制模塊，控制器根據接收到的信號控制驅動電動機，在行駛中對AGV車體進行實時糾偏，從而實現導引跟蹤功能。AGV的導引精度與其運動控制和視覺系統測量精度相關，而視覺系統檢測和識別的精確度是決定AGV導引精度的關鍵因素。然而在實際環境中，由于受到如光照、路標污損、圖像遮擋等多種環境因素的影響，視覺導航難以達到理想的可靠性和導航精度。

（4）電磁導航? 通過在AGV的行駛路徑上鋪設感應電纜，并加載25kHz中頻電，通過磁導航器識別供電電纜電磁場的變化來實現AGV的導航功能。感應電纜一方面可以作為AGV的導航系統，另一方面還可作為AGV的供電系統。電磁導航感應電纜需要埋設到地下，感應線路不易損壞，這使其施工成本高、工藝復雜，并且后期線路更改比較困難。電磁導航通常應用在耗電量比較大的重載AGV系統或需要連續運行不能進行定點充電的AGV系統。

（5）SLAM導航? SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）導航技術融合了定位技術與地圖構建技術。采用SLAM導航技術的AGV在移動過程中通過傳感器識別環境特征，通過驅動輪上的編碼器反饋實時位置信息，結合環境特征和位置信息完成地圖構建，完成地圖構建后，AGV可根據地圖信息自主規劃任務路徑。SLAM導航不需在地面或環境中安裝任何導航系統，能夠適應多種室內和室外環境，現場安裝施工任務量小，任務路徑靈活，可自主規劃實時避障，通常用于室外搬運或倉儲物流等領域。

2. 定位技術

（1）磁釘定位? 磁釘是一個帶有芯片和感應線圈的圓棒，芯片里可寫入16位代碼，通常安裝在地下。磁釘讀頭通常安裝在AGV底部，用于讀取地面磁釘的位置信息。當磁釘讀頭到達磁釘的正上方時，磁釘的感應線圈產生感應電流，激活其內部芯片，芯片產生脈沖將代碼傳輸給磁釘讀頭，AGV控制器通過獲取的代碼計算出AGV的實時位置。磁釘是通過感應線圈獲得能量，因此不需要電源或電池。磁釘配備的是EEPROM芯片，后期可以根據需要擦寫，最多重復寫入次數高達10萬次。磁釘定位技術允許AGV的最大速度為2m/s，其定位精度通常可達到±5mm以內。

（2）二維碼定位? 一種用數據矩陣代碼進行精確定位的定位系統。它由一個帶內置照明裝置的2D相機和數據矩陣碼帶構成，2D相機讀取并解碼印碼帶上的位置標記，即二維數據矩陣代碼。2D相機的視窗可達120mm×80mm，在單次讀取操作中，寬大的讀取窗口可同時讀取5個數據矩陣碼來提供額外的冗余。即使多個數據矩陣碼被污染或損壞，定位系統也能確保實現可靠的定位，因此其抗干擾能力非常強，即使75mm的無碼帶間隙，也不會影響其定位功能。二維碼定位技術允許AGV的最大速度為8m/s，其定位精度通常可達到±2mm以內。

3. 安全技術

（1）激光掃描儀? AGV車體上可根據需要安裝一個或多個激光掃描儀，并可根據環境復雜性設置多個可切換保護區域。通過定義不同的保護區域，AGV可以在遇到障礙物時自動減速或停止，保障設備和人員安全。

（2）安全觸邊? ?安全觸邊由橡膠外套、內部導電層和鋁合金底座組成。當外界有障礙物碰撞到安全觸邊時，橡膠外套變形，擠壓內部兩個導電層，使其相互接觸導致電阻發生變化，通過電阻變化，安全觸邊向控制單元發送信號。車載控制器將切斷電動機電源，實現AGV安全停機，保障設備和人員安全。

（3）安全速度監控? 安全速度監控是通過在AGV驅動輪上安裝安全編碼器實現的。安全編碼器通過ProfiNet連接到安全主控器。通過該功能，可以時刻監控AGV的實際運行速度，防止AGV因電動機速度異常而失控。同時，AGV的速度可以被限制在一個安全范圍內，并在不同速度下切換合理的激光掃描區域。

（4）急停按鈕? AGV的急停按鈕通常裝在四角或靠近車頭車尾的位置，容易識別且易于接近。AGV上任意急停按鈕被按下，AGV將立即停止。

（5）指示燈? 為了便于人員視覺識別，AGV上還安裝有聲光報警指示燈，在AGV啟動、加速、減速、阻塞及故障的情況下發出聲光報警，便于附近人員識別AGV工作狀態，減少安全事故發生的可能性。

4. 驅動形式

按照驅動的數量，可以分為單驅動、雙驅動和多驅動。其中雙驅動AGV可分為雙舵AGV和差速AGV。常見的底盤布置形式如圖1所示。

1）單驅動AGV車體由一個舵輪和兩個定向輪組成，俗稱三輪車結構。這種結構的AGV轉彎半徑小，但只能實現單向運動，如前進、轉彎，而不能實現后退功能。另外，由于其只有車頭一個舵輪，其對車尾的控制精度也比較差。單舵AGV通常用于輕載或停位精度要求不高的場合。

2）雙舵AGV由兩個舵輪和兩個以上萬向輪組成，從而可實現前進、后退、轉彎及自旋等全方位運動，控制精度高，但成本也較高。雙舵AGV通常用于定位精度要求高、空間狹小或需要實現全方位運動的場合。差速AGV由兩個固定的驅動輪及2個以上萬向輪組成，通過左右兩個驅動輪的速度差來實現前進、后退、轉彎及自旋運動。與舵輪驅動AGV不同，差速AGV的運動方向是由兩個驅動輪的差速決定的，因此地面平整度、驅動輪是否打滑等對控制精度影響較大。此外，由于驅動輪和AGV底盤是剛性連接，AGV在運動過程中車體會有明顯的擺動現象。

3）多舵輪AGV是由兩個以上舵輪組成，與雙舵AGV一樣，可實現前進、后退、轉彎及自旋等全方位運動。通常用于載荷較大或AGV車體尺寸較長的場合。

5. 供電形式

（1）電池供電? 電池供電應用比較廣泛，絕大部分AGV均采用電池供電方式。其特點是需要為AGV設立充電站，實現定點充電。AGV通常采用磷酸鐵鋰電池供電，其優點是結構緊湊、內阻低、可靠性高、容量高及工作壽命長，可實現大電流快速充電，正常循環使用壽命高達1500次。電池由電池模組及電池管理系統組成。電池管理系統具有過充過放保護、充電放電過流保護、MOS溫度保護、電芯溫度保護、短路保護及低電量報警等功能，并可以與PLC進行通信，從而監控電池狀態。

（2）感應供電? ?通常用在重載AGV或連續運行的AGV系統中，其特點是AGV可以在運行的同時連續地充電。AGV車體底部裝有Pickup取電板，可通過無接觸方式從感應供電線路獲得電能，經車載電源轉換模塊將其轉換為DC500V電源，供動力系統及控制系統使用。

（3）感應供電+UPS? 在感應供電的基礎上，配備UPS電源管理系統和備用電池。UPS電源管理系統能夠根據AGV電源的實際情況，智能分配感應電源（DC500V）供電或內置電池電源（DC48V）供電。如圖2所示，在正常情況下，感應電源是AGV的主要電源，UPS管理系統能夠在監控感應電源狀態的同時，將多余電量為電池充電。當UPS檢測到感應電源斷開或者出現故障時，可將AGV的主要電源在線切換為電池供電，由電池提供的電能依然能保證AGV繼續正常運行。

AGV在汽車總裝車間的應用

在汽車總裝車間，AGV主要應用于線邊物料配送、白車身轉運、各類分裝線、電池和底盤合裝線及內飾裝配線等。

常見的車間線邊物料配送是人工+料車的方式。由于人為因素的存在，物料配送的效率較低，錯配率較高，且配送的實時性較低。采用AGV線邊物料配送，不僅可以降低人力成本，還可以提高物料配送的準確性和實時性，提高物流配送的效率，并可以實現物料的實時動態跟蹤[3]。與人工配送相比，AGV上還配備安全防護設備，可以避免由人為因素所帶來的安全隱患。

傳統的底盤合裝一般采用升降滾床+吊具的形式，由于托盤無法知道自身的實時位置，難以實現與EMS同步運行，故只能進行定點合裝。而采用AGV進行底盤合裝則不同，AGV上裝有同步相機，可實現與EMS的實時同步，工人可站在AGV踏臺上，在AGV與EMS連續運行的狀態下完成合裝操作，作業效率較高。此外，合裝AGV上用于前后副車架合裝的剪臺是相對獨立的，通過剪臺的間距調整可適應不同軸距的車型，從而實現多車型混線生產。

傳統的分裝線形式有輥道輸送、滾床輸送、輕載摩擦線等。在分裝線上，滾床和輥道是連續鋪設的，線體有多長，滾床和輥道就需要有多長，因此需要永久性占用地面空間；輕載摩擦線在空中架設軌道，施工安裝和后期維護都不便利。用AGV輸送替代傳統的分裝線輸送形式，可以節省地面的占用空間，前期安裝和后期維護、改造都比較方便。通常主線兩邊都是物流通道，用AGV輸送可以直接將分裝線的工件跨過物流通道輸送到主線。

目前，主流車企的內飾線一般都采用滑板形式輸送，若線體出現故障，則可能導致長時間停線。采用AGV輸送，如果其中一臺AGV出現故障，可以將其從線體中移出或切換備用AGV，而不至于導致長時間停線。

總的來看，隨著AGV技術的發展與普及，AGV在總裝車間也得到了越來越廣泛的應用。

結語

隨著智能化的推進，AGV已經在汽車制造領域得到了廣泛應用。從簡單的物流配送，到零部件的分裝，再到底盤和電池合裝線，進而延伸至主線車身輸送，如白車身輸送、內飾裝配線等。每個AGV都是一個獨立的個體，而AGV系統是由多個獨立的個體組成，整個系統相關關聯又相對獨立，使得整個系統具有很強的靈活性。AGV輸送已經逐漸對傳統的輸送形式產生了較大的沖擊，相信隨著AGV技術的不斷發展，未來的汽車裝配輸送線將更加智能、更加靈活[4]。

參考文獻

[1] 韓樂. AGV 常見減震浮動結構對比分析[J]. 中國設備工程， 2020（5下）：131-134.

[2] 蘇州牧星，AGV小車在汽車行業自動化生產線上的應用[J]. 汽車工藝師，2020（7）：16-18.

[3] 賈晨曦. AGV的路徑規劃與調度在智能制造中的研究與應用[D].電子科技大學，2021.

[4] 陳洪波. AGV在物流行業中的發展前景與市場應用[J]. 機器人技術與應用， 2015（6）：39-40.