文 / 云南昆船智能裝備有限公司總經(jīng)理 楊文華
一、概述
上世紀九十年代中期，AGV在我國開始得到實際應用。在過去的20多年中，AGV的發(fā)展可謂歷盡坎坷：2005年前，由于技術制約，價格居高不下。AGV作為生產(chǎn)輔助的搬運工具，其推廣和應用受到了明顯的制約，能夠進入的行業(yè)只是煙草和金融，作為生產(chǎn)不可或缺的工藝裝備，AGV也只是在汽車總裝線上得到應用；2005年后，國內(nèi)先后出現(xiàn)了數(shù)家生產(chǎn)簡易型AGV即AGC產(chǎn)品的企業(yè)，使AGV的應用得以推廣。而近五年來，新興的AGV企業(yè)數(shù)量已超過百家，其產(chǎn)品應用領域已經(jīng)涵蓋各行各業(yè)。
二、AGV技術發(fā)展綜述
二十幾年前，就有國外專家總結(jié)過AGV的三大技術要點：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？形象地指出了導航、路徑規(guī)劃、導引是AGV的重要組成部分。筆者個人曾增加了一點：我到那里做什么？即AGV的“操作”。
1. 導航與導引
AGV作為輪式移動機器人（WMR-Wheeled Mobile Robot）的一個分支，其主要特征就是自動導引，隨著計算機和傳感器技術的發(fā)展，導航、導引技術也不斷提升。目前，常用的導引、導航方式有：電磁導引、磁帶導引、色帶導引、激光導航、慣性導航、磁釘導航、GPS導航以及基于圖像識別的二維碼標簽導航等。最初，AGV只是簡單地沿著固定的物理線路行駛，被稱為“固定路徑導引”（如電磁導引、磁帶導引、色帶導引等）；后來，AGV能夠根據(jù)導航及路徑規(guī)劃信息，自動選擇預設的“邏輯線路”行駛，被稱為“自由路徑導引”（如激光導航、慣性導航等）。
AGV根據(jù)路徑偏移量來控制速度和轉(zhuǎn)向角，從而保證AGV精確行駛到目標點的位置及航向的過程，稱為“導引”（Guidance）。在“固定路徑導引”的方式中，導引傳感器直接得到AGV與理論路徑（電線、磁帶、色帶等）的偏移量并直接用于控制，此類方式可統(tǒng)稱為“導引”。而在“自由路徑導引”方式中，AGV導航傳感器得到的是間接信號，如，激光導航通過激光掃描器測出反射板的夾角和距離；慣性導航通過陀螺儀測出角加速度并配合地面標簽位置，通常這類信號無法直接用于導引，必須通過不同的算法來獲得AGV的位置及航向，這一過程稱為“導航”（Navigation）。從技術上來說，所有“固定路徑導引”方式，其本質(zhì)是一樣的，都是“一維”的有線導引，AGV單機無需全局坐標位置，只需獲得行駛距離及轉(zhuǎn)向偏移量的反饋，一般不需要“位置估算（Dead Reckoning）”；而“自由路徑導引”方法有很多，有基于“燈塔（Beacon）”信息的激光導航、GPS導航，有基于地標信息的慣性導航、標簽導航，有根據(jù)環(huán)境信息的環(huán)境導航或自然導航，“自由路徑導引”的共同特點是：AGV單機都須在控制中采用“位置估算”，路徑（Path）不再是物理意義上的路徑，而是邏輯上的路徑，是可以用數(shù)學函數(shù)表達出來的軌跡（Trajectory）。
AGV的導航、導引技術多種多樣，不同的場合可采用不同的導引技術。單一的導引技術無法覆蓋所有的應用：在有叉車行駛的場合不宜選用磁帶導引；路徑需要經(jīng)常變換的場合，應考慮激光導引，而露天環(huán)境，考慮到氣候因素，則不宜采用激光導引；路徑復雜的場合應盡量考慮“自由路徑導引”方式。導航、導引技術沒有孰優(yōu)孰劣，而應根據(jù)使用環(huán)境，因地制宜地靈活運用。導航、導引技術始終是AGV發(fā)展最主要的部分。目前，圖像識別導航（環(huán)境導航）、無反射板激光導航（自然導航、輪廓導航）、差分GPS、室內(nèi)GPS也已得到應用，未來必將有更多的導航、導引技術出現(xiàn)。
2. 驅(qū)動方式
目前AGV常用的驅(qū)動方式可以歸納為三種：驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向模式（Steer Driving）、差速驅(qū)動模式（Differential Driving）和全方向（位）驅(qū)動模式（Quad Motion）。
驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向是指用一個驅(qū)動總成兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，此種驅(qū)動方式的AGV運動性能稍差，轉(zhuǎn)彎半徑較大，但導引及運動的可靠性高。
差速驅(qū)動是指AGV左右對稱安裝兩個固定的驅(qū)動輪，依靠左右驅(qū)動輪的差速來實現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向，差速驅(qū)動模式的AGV轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性較好，但驅(qū)動輪的磨損較為嚴重。
全方位驅(qū)動是以兩個或兩個以上兼有行走和轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動總成，或配置多個麥克納姆輪（Mecanum），實現(xiàn)全方位的運動，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：保持AGV的航向不變，實現(xiàn)平移或側(cè)移（Crabwise）；AGV能夠變化回轉(zhuǎn)軸線，實現(xiàn)更加復雜的平面運動。
在電機使用方面，隨著低壓交流電機性能的不斷提高，以無刷鼠籠式交流電機替代有刷永磁直流電機成為AGV驅(qū)動發(fā)展的趨勢，工程機械中的液壓伺服驅(qū)動也在重載AGV上得到了應用。驅(qū)動技術的擴展應用和完善，使得AGV的驅(qū)動能力得以大幅提升。
3. 供電
傳統(tǒng)AGV的供電一般是由電池作為儲能載體，目前能夠被AGV使用的電池種類有：鉛酸/純鉛、鎳氫、鎘鎳、鋰離子電池，這些電池都是基于“電化學”原理。近年來，隨著電池技術的成熟，超級電容在AGV上的應用逐步推廣，電容最大的特性是“物理線性放電”，充電效率高，使用壽命長。另外，隨著無接觸能量傳輸技術的發(fā)展，以部分德國企業(yè)為代表的相關產(chǎn)品在部分領域替代了AGV傳統(tǒng)供電模式。
影響AGV供電配置的主要因素通常是：各種供電方式的特性及成本，AGV使用時的工作模式等。從AGV應用角度看，電池作為能量供應載體仍然是目前AGV供電主流方案，其中鉛酸、鎘鎳電池應用最為廣泛，安全性好；鋰離子電池雖因能量密度高，充放電特性好而得到一些應用，但使用環(huán)境及條件也較嚴格，配套電芯質(zhì)量及電源管理系統(tǒng)要求較高，在安全等級較高的應用領域需要謹慎；超級電容的應用因其容量因素限制，一般會揚長避短與電池進行配套使用；無接觸供電技術的應用對于具有固定路徑的AGV系統(tǒng)有較強競爭力，讓AGV在移動中持續(xù)獲得電能成為可能，從而擴展AGV作業(yè)方式。在有部分固定路徑的AGV系統(tǒng)中，無接觸供電技術也作為電池供電的補充，實現(xiàn)了邊行走邊充電，從而提高AGV使用效率。
在充電模式上，一般可根據(jù)選用電池及工作模式的不同，采用不同的充電方式：自動充電（快充/慢充、空閑充電/定時充電/定量充電）、人工充電或換電池（人工/自動換電池）。國外也有在AGV上裝備“柴油機+發(fā)電機+電池”的案例，但不管怎樣，供電方式始終是圍繞提升AGV的工作效率而發(fā)展的。
4. 系統(tǒng)控制
AGV的上位控制系統(tǒng)需解決的問題是對多臺AGV進行有效的控制，對各種任務進行優(yōu)化排序，對AGV的分配及行駛路徑進行動態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)智能的交通管理。控制系統(tǒng)根據(jù)所需執(zhí)行的任務，以及各臺AGV所處的當前位置來優(yōu)化車輛的分配。
在不同的應用中，AGV控制系統(tǒng)采用的調(diào)度策略是不同的，通常有三個因素會被考慮：系統(tǒng)最短響應時間、系統(tǒng)最高作業(yè)效率、系統(tǒng)最低能耗。這三個因素存在著辯證關系，如，系統(tǒng)最高作業(yè)率和系統(tǒng)最低能耗都要求對任務進行“堆積”，找出最合適的AGV來執(zhí)行最合適的任務，從而減少AGV的“空跑率”。這個方法與系統(tǒng)最短響應時間相矛盾，極端的情況是，有的任務永遠找不到合適的AGV來執(zhí)行。因此，在AGV系統(tǒng)控制算法中，除智能的交通管理外，還必須做好各種調(diào)度策略在不同項目中的匹配，以滿足項目對時間、空間及系統(tǒng)能耗的要求。
在任務控制模式上，有兩種概念：一種是由上位計算機安排任務到空閑的AGV單機；另一種更為流行的做法是空閑AGV單機主動向上位計算機申請任務，這種做法能夠減輕上位計算機負荷，更加體現(xiàn)出單機的智能化水平。
三、AGV技術應用
目前，在國內(nèi)的AGV技術應用分為兩種。
第一種技術追求AGV的完全自動化，幾乎不需要人工的干預，路徑規(guī)劃和生產(chǎn)流程復雜多變，能夠運用在幾乎所有的搬運場合。這些AGV功能完善，技術先進，系列產(chǎn)品的覆蓋面廣：各種驅(qū)動模式，各種導引方式，各種移載機構(gòu)應有盡有，系列產(chǎn)品的載重量可從50kg到60000kg。
第二種技術追求的是簡單實用，極力讓用戶在最短的時間內(nèi)收回投資成本，該類AGV完全結(jié)合簡單的生產(chǎn)應用環(huán)境，即，單一的路徑、固定的流程。在導引方面，采用簡易的磁帶導引方式，此類AGV稱之為AGC。與AGV相比，AGC有其自身技術特點：第一，通常選用“固定路徑導引”方式，即磁帶導引或電磁導引；第二，需求相對簡單，甚至不需要上位控制系統(tǒng)；第三，不追求導引及定位精度，只需將貨物運送到大致的位置；第四，通常不需要移載機構(gòu)，可由人工裝卸或采用拖拽式。
AGV與AGC在單機上，本質(zhì)是相同的，都必須解決導引問題。從字面理解，也只是“Vehicle”與“Cart”的差別。筆者認為，之所以區(qū)分它們，是因為在單機性能和系統(tǒng)性能上的差別：在單機上，AGV往往更需追求定位精度（單車重復定位、多車重復定位），而AGC對此并無特別需求；在系統(tǒng)控制上，AGV的路徑、任務分配、車輛分配須實時計算，進行動態(tài)規(guī)劃，不到最后一刻，AGV單機并不能確定自己的任務，而AGC通常是順序執(zhí)行，通常在啟動時就已確定路徑和任務。正是因為這些差別，AGV系統(tǒng)控制的復雜度要高得多。
四、AGV技術展望
在中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中，企業(yè)的“自主創(chuàng)新能力”被提高到前所未有的高度。同樣，AGV的長遠發(fā)展必須立足于自主創(chuàng)新，擺脫對國外技術和產(chǎn)品的依賴是中國AGV產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)步發(fā)展的必經(jīng)之路。
AGV作為自動搬運設備能夠應用于各個行業(yè)，需求也多種多樣。未來企業(yè)對AGV的需求不僅僅是簡單的搬運或簡單地替代人力，而是對整個工藝裝備的需求，對提升產(chǎn)品質(zhì)量的需求，對企業(yè)實現(xiàn)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的整體考慮。為此，AGV的技術研發(fā)應該更加注重面向工藝、面向成本、面向服務。因此，筆者認為，AGV技術仍然有廣闊的發(fā)展空間：系統(tǒng)技術需要更加注重與企業(yè)的生產(chǎn)管理、物流管理以及工藝路線相結(jié)合，追求更高效率；單機控制技術上需要更加人性化，使AGV更為智能，更加易用，更加便于維護。隨著AGV的使用范圍越來越廣，AGV技術的“專業(yè)知識”也必須與應用行業(yè)的“領域知識”相結(jié)合，以工藝創(chuàng)新為基礎，為AGV的技術創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新提供源動力。
本文摘選自《物流技術與應用》雜志
