AGV 小車引導方式的發展趨勢分析*

徐一波

（江西師范高等?？茖W校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

隨著人類社會的不斷發展，運輸業、通信業、倉儲業等各種行業組合成了物流業，物流連接著生產、消費、供給和需求，它的速度與精確度能夠較好地反映整個社會的經濟水平高低。其中，倉儲業是物流業的組成部分之一，是供應與需求的中間環節，能夠緩沖與平衡供給和需求之間的矛盾，通常包含了收貨作業、存貨作業、發貨作業、取貨作業等環節。

對倉儲系統而言，AGV 小車的作用至關重要。AGV 小車全稱Automated Guided Vehicle，亦稱之為無人叉車或者無人搬運機器人，指的是裝備了光學或者電磁等自動引導裝置，可以按照規定的路徑行駛，并且擁有安全保護和各種移載貨物功能的運輸小車。傳統的搬運有著諸多缺陷，例如：工人、設備數量較多，導致勞動力成本較大；工作效率較低、數據化程度較低、工作錯誤率較高；使用傳統的叉車危險性相對較大；招工難、用工也難等。相比之下，AGV小車的優勢頗為突出。它不僅自動化水平較高，而且還能夠通過控制計算機判定設備電量，當設備電量低于警戒線時，它將主動行駛到事先設定好的位置自動充電。而且，它的外形較為美觀，使用也很方便，占用的空間較小，便于在不同的車間來回行駛。它能夠實現貨物從起點到終點的自動化運輸，并且在這一過程中，還能夠自動避開路徑上的各種障礙物，多級警示，遇到險情可以緊急剎車。而且，它的行駛軌跡還能夠依照不同的倉儲貨位需求及生產過程來改變。相比于輸送帶以及直線輸送的剛性輸送設備，AGV小車轉變輸送路徑的成本會低很多。其次，AGV 小車不僅可以自動搬運，還擁有自動裝卸的功能。它的這些能力在確保產品質量的同時，降低了企業在生產過程中面臨的勞動力成本和時間成本。和諸多智能化機器人一樣，AGV 小車也使用蓄電池供能，有著綠色環保、清潔無污染的優點。目前來說，AGV 搬運小車在制造業中應用頗為廣泛，在工業機器人應用中的占比達到了大約40%，大量的自動化生產線都要用到AGV 搬運小車完成上料、下料和搬運等作業。近幾年，協作機器人的崛起讓AGV 搬運小車在市場中的占比穩步增長。

2 AGV小車引導方式

AGV 小車已經發展了許多年，種類繁多、功能多樣，它由車體系統、驅動裝置、動力系統、轉向裝置、車載控制系統、精確停車裝置、行走系統、運動控制器、移載系統、安全與輔助系統等組成。AGV 小車的核心是車載控制系統，通常包括計算機控制系統、通信系統、導航系統、電機驅動器和操作面板等。其中，導航系統的作用就是確保其按照規劃的路徑行駛，且能夠保證精度。它的運行有多種引導方式，可以按照引導方式來對其進行分類，大體可以分成：電磁感應引導、磁釘引導、磁帶引導、色帶引導、二維碼引導、視覺引導、激光引導、GPS 引導、鐵磁陀螺慣性引導、復合引導等[1-2]。

1）電磁感應引導。這種引導方式出現的時間比較早，而且直到現在依舊經久不衰。它通常是在AGV 小車預設的行駛路線對應的地下鋪設金屬導線，并對導線通入高頻交流電，從而在其周邊產生電磁場。同時，在AGV 小車上左右兩邊各加裝一個電磁感應器，根據這兩個電磁感應器接收到的電磁信號強度之差來判斷AGV 小車行駛過程中偏離預設路線的程度大小。而且，它的自動控制系統也是按照偏離程度來操控其轉向的。該引導方法適用于大部分商業用的自動導向搬運車系統，特別是一些體積較大的AGV 小車。這種引導方式的優勢在于金屬導線鋪設于地下，較為隱蔽，不容易受到外界的污染或者出現損壞的現象，而且引導的工作原理也簡單明了、可靠性高，方便工作人員進行控制及通信，即便是強光強聲的環境也無法干擾其正常運行，生產的成本也頗為低廉。但不利之處在于AGV 小車運行之前，鋪設金屬導線的前置工作頗為煩瑣，在鋪設工作完成之后，想要再次更改路徑或者延長路徑都很麻煩。此外，周圍有磁性大的物質（如鐵磁材料）時，容易干擾電磁感應引導的過程，這一缺陷使得該導引方式難以適用于許多復雜的路徑中。

2）磁釘引導。這種引導方式是使用坐標系并通過定位塊來把AGV 小車行駛過程中途徑的區域劃分為不同的小塊區域，然后再對各小塊區域進行計數來達到引導AGV 小車行駛的目的。這種引導方式通常可以分為電磁式（用磁塊或者金屬塊劃分各個小塊區域，并使用電磁感應元器件進行計數）與光電式（用兩種不同的顏色劃分各個小塊區域，并使用光電元器件進行計數）。磁釘引導式擁有良好的美觀性與隱蔽性，制作成本低廉，技術成熟，可靠性高。而且，磁釘的耐磨性能、耐酸堿性、抗干擾性都比較好，適用于室內、室外等多種場所。

3）磁帶引導。這種引導方式和電磁感應引導頗為相似，它是通過在AGV 小車的行駛路徑上粘貼磁帶，并使用磁感應信號來進行AGV 小車的引導。磁帶引導的精度很高，重復性也很好，光線對磁性的影響微乎其微，而且鋪設磁帶的成本非常低廉。相對于在地下鋪設金屬導線的電磁感應引導式，這種引導方式較為靈巧，在AGV 小車投入運行后仍然可以很容易地更改或者延伸行駛路徑。然而，磁帶容易出現磨損，影響導引過程。而且周邊環境中存在磁性物質的話，也很容易影響導引的準確性。此外，AGV 小車開始工作后，只能沿著磁帶的方向行駛，在磁帶改變前，小車的行駛路徑不能改變[3]。

4）色帶引導。這種引導方式是在AGV 小車行駛路徑上貼上色帶或者涂上油漆，通過處理攝像機得到色帶圖像信號來達到引導AGV 小車行駛的目的。這種方式的優勢在于頗為靈巧，不論是貼色帶還是涂油漆，都比較方便快捷，而且成本較低。但不足之處也在于此，貼的色帶和涂的油漆都難以長期保持原狀，被破壞或被污染后的色帶（油漆）無法保證引導過程的準確性，容易出現偏差。

5）二維碼引導。這種引導方式是把多張二維碼進行離散化擺放，使用AGV 小車的車載攝像頭來掃描二維碼并得出實時位置坐標。這種定位方式是非常準確的，而且張貼二維碼也比較簡單快捷，不論是AGV 小車運行前的鋪設路徑還是運行后的改變及延伸路徑都比較簡單，進行控制與通信也比較容易，而且噪聲和強光的工作環境不會對AGV 小車的引導產生影響。但是不足之處在于要定期對AGV 小車的行駛路徑進行維護，而且復雜的環境下也要時常更換張貼的二維碼。

6）視覺引導。這種引導方式是通過在AGV 小車上安裝攝像頭與傳感器，根據行駛過程中攝像頭拍攝得到的地面紋理得出圖像，然后對比圖像數據庫中的紋理圖像來判斷當下的位置，從而達到定位的目的。該方式不需要事先設置行駛路徑，可以說在引導方面極為便捷，柔性程度極高。并且，計算機應用技術的不斷發展也會讓圖像采集、圖像處理與圖像存儲等技術愈發先進。未來的某一天，視覺引導或許會成為應用最廣的引導方式[4]。

7）激光引導。這種引導方式是通過在AGV 小車上安裝能自動旋轉的激光掃描器（一種光學距離傳感器），并在AGV 小車的行駛路徑附近安裝相應的激光反射板。AGV 小車在運行時用激光掃描器發射出激光束，并對周遭激光反射板反射回來的激光束進行接收，從而判斷出當下的位置與移動方向，并對比數字地圖，達到引導的目的[5]。

8）GPS 引導。這種引導方式是使用衛星來進行跟蹤與制導，一般應用于室外場所的引導行為，引導的可靠性由空中衛星的數量和精度以及AGV 小車周遭環境的復雜程度所決定。該技術目前尚不成熟，還需要假以時日進行完善。

9）鐵磁陀螺慣性引導。這種引導方式是通過在AGV 小車上安裝一個陀螺儀，得到AGV 小車行駛過程中的x、y、z三軸的角速度與加速度，并由此計算出AGV 的位置與姿態。在AGV 小車的行駛路徑上裝好定位塊之后，AGV 小車就能夠根據鐵磁陀螺儀計算出的位姿信息與采集到的定位塊信號得出當下的位置與方向，以達到引導的目的。

10）復合引導。顧名思義，這種引導方式通過同時使用至少兩種引導方式來達到引導目的，讓它能夠更好地適用于不同的環境。例如，二維碼引導式+鐵磁陀螺慣性引導式、激光引導式+磁釘引導式的復合引導等等，復合引導能更好地提高AGV 小車引導的柔性程度，隨著技術的不斷更新，它的使用頻率也將逐步提升。

3 發展趨勢

AGV 小車在導航過程中，會遇到各種各樣的問題。若小車行駛時遇到駐留貨位、貨物托盤的識別問題和某些特定區域識別等問題，可采用穿透性強、抗干擾性能好、讀卡速度快、讀卡距離適中的RFID自動識別技術，從而輕松地穿越物體、快速精確地進行標簽讀取且不受環境因素影響并能夠做到準確停車。對AGV 小車導引來說，RFID 自動識別技術能夠提供更高效的路徑規劃，進行合理的交通管制，防止死鎖與堵塞等現象的發生[6]。為確保AGV 小車運行過程的準確性，可以考慮對其軌跡跟蹤使用模糊預測控制，對其位置姿態進行估計、預測、反饋校正及滾動優化，達到一預測、二校正、三控制的效果[7]。同時，可以根據已采用算法暴露出的缺點，來不斷地改進、優化算法。例如：AGV 小車在糾正偏差的時候，有糾正時間較長、小車車身的擺動幅度較大且容易掉線等問題。對此，可以考慮使用自適應模糊PD 算法對AGV 小車左右輪的速度進行適時調整，來改善這三個問題[8]。而且，大力發展復合引導方式，是AGV小車導引未來的發展方向。例如：可以依托二維碼引導，并結合視覺引導與慣性引導這兩種引導方式，提出了基于二維碼和慣性傳感器的復合引導法，充分發揮出不同引導方式各自的優點，從而達到提升AGV小車運行精度的目的[9]。

AGV 小車還有許多缺陷亟待解決，如充電自動化、制造標準化、部件模塊化、控制遠程化等[10]。當前，AGV 搬運小車基本都擁有了完整的故障檢測體系，但它依舊離不開操作人員的手動排除故障。隨著相關技術的不斷革新，未來的某一天，或許它能夠擁有自動檢測故障、自動排除故障的能力。目前，AGV搬運小車已經初步實現了智能化、自動化搬運來取代人力搬運，縮減了企業對人力的需求，同時也降低了一線工人的工作強度，與各類智能機器人一道，有效緩解了相關企業用工難、用工貴的難題，也為當今社會人口老齡化日益嚴峻、青壯年勞動力不足問題的解決提供了有效方案。AGV 小車是可移動的智能機器人，是工業邁向自動化生產、物流的重要設備。毋庸置疑，當各項技術缺陷被逐步完善之后，它將在工業生產中發揮出無可替代的作用。