导语

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 - 昆船智能装备 杨文华

01 概述

上世纪九十年代中期，AGV在我国开始得到实际应用。在过去的20多年中，AGV的发展可谓历尽坎坷：2005年前，由于技术制约，价格居高不下。AGV作为生产辅助的搬运工具，其推广和应用受到了明显的制约，能够进入的行业只是烟草和金融，作为生产不可或缺的工艺装备，AGV也只是在汽车总装线上得到应用；2005年后，国内先后出现了数家生产简易型AGV即AGC产品的企业，使AGV的应用得以推广。

而近几年来，新兴的AGV企业数量已超过三百家，其产品应用领域已经涵盖各行各业。

国内AGV厂家区域分布

02 AGV技术发展综述

二十几年前，就有国外专家总结过AGV的三大技术要点：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？形象地指出了导航、路径规划、导引是AGV的重要组成部分。这里再增加了一点：我到那里做什么？即AGV的“操作”。

1. 导航与导引

AGV作为轮式移动机器人（WMR-Wheeled Mobile Robot）的一个分支，其主要特征就是自动导引，随着计算机和传感器技术的发展，导航、导引技术也不断提升。

目前，常用的导引、导航方式有：电磁导引、磁带导引、色带导引、激光导航、惯性导航、磁钉导航、GPS导航以及基于图像识别的二维码标签导航等。

最初，AGV只是简单地沿着固定的物理线路行驶，被称为“固定路径导引”（如电磁导引、磁带导引、色带导引等）；后来，AGV能够根据导航及路径规划信息，自动选择预设的“逻辑线路”行驶，被称为“自由路径导引”（如激光导航、惯性导航等）。

AGV根据路径偏移量来控制速度和转向角，从而保证AGV精确行驶到目标点的位置及航向的过程，称为“导引”（Guidance）。

在“固定路径导引”的方式中，导引传感器直接得到AGV与理论路径（电线、磁带、色带等）的偏移量并直接用于控制，此类方式可统称为“导引”。

而在“自由路径导引”方式中，AGV导航传感器得到的是间接信号，如，激光导航通过激光扫描器测出反射板的夹角和距离；惯性导航通过陀螺仪测出角加速度并配合地面标签位置，通常这类信号无法直接用于导引，必须通过不同的算法来获得AGV的位置及航向，这一过程称为“导航”（Navigation）。

从技术上来说，所有“固定路径导引”方式，其本质是一样的，都是“一维”的有线导引，AGV单机无需全局坐标位置，只需获得行驶距离及转向偏移量的反馈，一般不需要“位置估算（Dead Reckoning）”；而“自由路径导引”方法有很多，有基于“灯塔（Beacon）”信息的激光导航、GPS导航，有基于地标信息的惯性导航、标签导航，有根据环境信息的环境导航或自然导航。

“自由路径导引”的共同特点是：AGV单机都须在控制中采用“位置估算”，路径（Path）不再是物理意义上的路径，而是逻辑上的路径，是可以用数学函数表达出来的轨迹（Trajectory）。

AGV的导航、导引技术多种多样，不同的场合可采用不同的导引技术。单一的导引技术无法覆盖所有的应用：在有叉车行驶的场合不宜选用磁带导引；路径需要经常变换的场合，应考虑激光导引，而露天环境，考虑到气候因素，则不宜采用激光导引；路径复杂的场合应尽量考虑“自由路径导引”方式。

导航、导引技术没有孰优孰劣，而应根据使用环境，因地制宜地灵活运用。导航、导引技术始终是AGV发展最主要的部分。

目前，图像识别导航（环境导航）、无反射板激光导航（自然导航、轮廓导航）、差分GPS、室内GPS也已得到应用，未来必将有更多的导航、导引技术出现。

2. 驱动方式

目前AGV常用的驱动方式可以归纳为三种：驱动兼转向模式（Steer Driving）、差速驱动模式（Differential Driving）和全方向（位）驱动模式（Quad Motion）。

驱动兼转向是指用一个驱动总成兼有行走和转向功能，此种驱动方式的AGV运动性能稍差，转弯半径较大，但导引及运动的可靠性高。

差速驱动是指AGV左右对称安装两个固定的驱动轮，依靠左右驱动轮的差速来实现行走和转向，差速驱动模式的AGV转弯半径小，灵活性较好，但驱动轮的磨损较为严重。

全方位驱动是以两个或两个以上兼有行走和转向功能的驱动总成，或配置多个麦克纳姆轮（Mecanum），实现全方位的运动，其优越性主要体现在：保持AGV的航向不变，实现平移或侧移（Crabwise）；AGV能够变化回转轴线，实现更加复杂的平面运动。

在电机使用方面，随着低压交流电机性能的不断提高，以无刷鼠笼式交流电机替代有刷永磁直流电机成为AGV驱动发展的趋势，工程机械中的液压伺服驱动也在重载AGV上得到了应用。驱动技术的扩展应用和完善，使得AGV的驱动能力得以大幅提升。

3. 供电

传统AGV的供电一般是由电池作为储能载体，目前能够被AGV使用的电池种类有：铅酸/纯铅、镍氢、镉镍、锂离子电池，这些电池都是基于“电化学”原理。

近年来，随着电池技术的成熟，超级电容在AGV上的应用逐步推广，电容最大的特性是“物理线性放电”，充电效率高，使用寿命长。另外，随着无接触能量传输技术的发展，以部分德国企业为代表的相关产品在部分领域替代了AGV传统供电模式。

影响AGV供电配置的主要因素通常是：各种供电方式的特性及成本，AGV使用时的工作模式等。从AGV应用角度看，电池作为能量供应载体仍然是目前AGV供电主流方案，其中铅酸、镉镍电池应用最为广泛，安全性好。

锂离子电池虽因能量密度高，充放电特性好而得到一些应用，但使用环境及条件也较严格，配套电芯质量及电源管理系统要求较高，在安全等级较高的应用领域需要谨慎；超级电容的应用因其容量因素限制，一般会扬长避短与电池进行配套使用；无接触供电技术的应用对于具有固定路径的AGV系统有较强竞争力，让AGV在移动中持续获得电能成为可能，从而扩展AGV作业方式。

在有部分固定路径的AGV系统中，无接触供电技术也作为电池供电的补充，实现了边行走边充电，从而提高AGV使用效率。

在充电模式上，一般可根据选用电池及工作模式的不同，采用不同的充电方式：自动充电（快充/慢充、空闲充电/定时充电/定量充电）、人工充电或换电池（人工/自动换电池）。国外也有在AGV上装备“柴油机+发电机+电池”的案例，但不管怎样，供电方式始终是围绕提升AGV的工作效率而发展的。

4. 系统控制

AGV的上位控制系统需解决的问题是对多台AGV进行有效的控制，对各种任务进行优化排序，对AGV的分配及行驶路径进行动态规划，实现智能的交通管理。控制系统根据所需执行的任务，以及各台AGV所处的当前位置来优化车辆的分配。

在不同的应用中，AGV控制系统采用的调度策略是不同的，通常有三个因素会被考虑：系统最短响应时间、系统最高作业效率、系统最低能耗。

这三个因素存在着辩证关系，如，系统最高作业率和系统最低能耗都要求对任务进行“堆积”，找出最合适的AGV来执行最合适的任务，从而减少AGV的“空跑率”。这个方法与系统最短响应时间相矛盾，极端的情况是，有的任务永远找不到合适的AGV来执行。

因此，在AGV系统控制算法中，除智能的交通管理外，还必须做好各种调度策略在不同项目中的匹配，以满足项目对时间、空间及系统能耗的要求。

在任务控制模式上，有两种概念：一种是由上位计算机安排任务到空闲的AGV单机；另一种更为流行的做法是空闲AGV单机主动向上位计算机申请任务，这种做法能够减轻上位计算机负荷，更加体现出单机的智能化水平。

03 AGV技术应用

目前，在国内的AGV技术应用分为两种。

第一种技术追求AGV的完全自动化，几乎不需要人工的干预，路径规划和生产流程复杂多变，能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善，技术先进，系列产品的覆盖面广：各种驱动模式，各种导引方式，各种移载机构应有尽有，系列产品的载重量可从50kg到60000kg。

第二种技术追求的是简单实用，极力让用户在最短的时间内收回投资成本，该类AGV完全结合简单的生产应用环境，即，单一的路径、固定的流程。在导引方面，采用简易的磁带导引方式，此类AGV称之为AGC。与AGV相比，AGC有其自身技术特点：第一，通常选用“固定路径导引”方式，即磁带导引或电磁导引；第二，需求相对简单，甚至不需要上位控制系统；第三，不追求导引及定位精度，只需将货物运送到大致的位置；第四，通常不需要移载机构，可由人工装卸或采用拖拽式。

AGV与AGC在单机上，本质是相同的，都必须解决导引问题。从字面理解，也只是“Vehicle”与“Cart”的差别。之所以区分它们，是因为在单机性能和系统性能上的差别：在单机上，AGV往往更需追求定位精度（单车重复定位、多车重复定位），而AGC对此并无特别需求；在系统控制上，AGV的路径、任务分配、车辆分配须实时计算，进行动态规划，不到最后一刻，AGV单机并不能确定自己的任务，而AGC通常是顺序执行，通常在启动时就已确定路径和任务。正是因为这些差别，AGV系统控制的复杂度要高得多。

04 AGV技术展望

在中国制造业转型升级的过程中，企业的“自主创新能力”被提高到前所未有的高度。同样，AGV的长远发展必须立足于自主创新，摆脱对国外技术和产品的依赖是中国AGV产业健康稳步发展的必经之路。

AGV作为自动搬运设备能够应用于各个行业，需求也多种多样。未来企业对AGV的需求不仅仅是简单的搬运或简单地替代人力，而是对整个工艺装备的需求，对提升产品质量的需求，对企业实现MES（制造执行系统）的整体考虑。

为此，AGV的技术研发应该更加注重面向工艺、面向成本、面向服务。

因此，AGV技术仍然有广阔的发展空间：系统技术需要更加注重与企业的生产管理、物流管理以及工艺路线相结合，追求更高效率；单机控制技术上需要更加人性化，使AGV更为智能，更加易用，更加便于维护。

随着AGV的使用范围越来越广，AGV技术的“专业知识”也必须与应用行业的“领域知识”相结合，以工艺创新为基础，为AGV的技术创新和产品创新提供源动力。

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