徐一波

（江西師范高等?？茖W(xué)校，江西 鷹潭 335000）

1 研究背景

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，運(yùn)輸業(yè)、通信業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)等各種行業(yè)組合成了物流業(yè)，物流連接著生產(chǎn)、消費(fèi)、供給和需求，它的速度與精確度能夠較好地反映整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)水平高低。其中，倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)是物流業(yè)的組成部分之一，是供應(yīng)與需求的中間環(huán)節(jié)，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(yè)、存貨作業(yè)、發(fā)貨作業(yè)、取貨作業(yè)等環(huán)節(jié)。

對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)而言，AGV 小車的作用至關(guān)重要。AGV 小車全稱Automated Guided Vehicle，亦稱之為無(wú)人叉車或者無(wú)人搬運(yùn)機(jī)器人，指的是裝備了光學(xué)或者電磁等自動(dòng)引導(dǎo)裝置，可以按照規(guī)定的路徑行駛，并且擁有安全保護(hù)和各種移載貨物功能的運(yùn)輸小車。傳統(tǒng)的搬運(yùn)有著諸多缺陷，例如：工人、設(shè)備數(shù)量較多，導(dǎo)致勞動(dòng)力成本較大；工作效率較低、數(shù)據(jù)化程度較低、工作錯(cuò)誤率較高；使用傳統(tǒng)的叉車危險(xiǎn)性相對(duì)較大；招工難、用工也難等。相比之下，AGV小車的優(yōu)勢(shì)頗為突出。它不僅自動(dòng)化水平較高，而且還能夠通過(guò)控制計(jì)算機(jī)判定設(shè)備電量，當(dāng)設(shè)備電量低于警戒線時(shí)，它將主動(dòng)行駛到事先設(shè)定好的位置自動(dòng)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(lái)回行駛。它能夠?qū)崿F(xiàn)貨物從起點(diǎn)到終點(diǎn)的自動(dòng)化運(yùn)輸，并且在這一過(guò)程中，還能夠自動(dòng)避開(kāi)路徑上的各種障礙物，多級(jí)警示，遇到險(xiǎn)情可以緊急剎車。而且，它的行駛軌跡還能夠依照不同的倉(cāng)儲(chǔ)貨位需求及生產(chǎn)過(guò)程來(lái)改變。相比于輸送帶以及直線輸送的剛性輸送設(shè)備，AGV小車轉(zhuǎn)變輸送路徑的成本會(huì)低很多。其次，AGV 小車不僅可以自動(dòng)搬運(yùn)，還擁有自動(dòng)裝卸的功能。它的這些能力在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低了企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中面臨的勞動(dòng)力成本和時(shí)間成本。和諸多智能化機(jī)器人一樣，AGV 小車也使用蓄電池供能，有著綠色環(huán)保、清潔無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。目前來(lái)說(shuō)，AGV 搬運(yùn)小車在制造業(yè)中應(yīng)用頗為廣泛，在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中的占比達(dá)到了大約40%，大量的自動(dòng)化生產(chǎn)線都要用到AGV 搬運(yùn)小車完成上料、下料和搬運(yùn)等作業(yè)。近幾年，協(xié)作機(jī)器人的崛起讓AGV 搬運(yùn)小車在市場(chǎng)中的占比穩(wěn)步增長(zhǎng)。

2 AGV小車引導(dǎo)方式

AGV 小車已經(jīng)發(fā)展了許多年，種類繁多、功能多樣，它由車體系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置、車載控制系統(tǒng)、精確停車裝置、行走系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、移載系統(tǒng)、安全與輔助系統(tǒng)等組成。AGV 小車的核心是車載控制系統(tǒng)，通常包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和操作面板等。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)的作用就是確保其按照規(guī)劃的路徑行駛，且能夠保證精度。它的運(yùn)行有多種引導(dǎo)方式，可以按照引導(dǎo)方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類，大體可以分成：電磁感應(yīng)引導(dǎo)、磁釘引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)、色帶引導(dǎo)、二維碼引導(dǎo)、視覺(jué)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、GPS 引導(dǎo)、鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)、復(fù)合引導(dǎo)等[1-2]。

1）電磁感應(yīng)引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式出現(xiàn)的時(shí)間比較早，而且直到現(xiàn)在依舊經(jīng)久不衰。它通常是在AGV 小車預(yù)設(shè)的行駛路線對(duì)應(yīng)的地下鋪設(shè)金屬導(dǎo)線，并對(duì)導(dǎo)線通入高頻交流電，從而在其周邊產(chǎn)生電磁場(chǎng)。同時(shí)，在AGV 小車上左右兩邊各加裝一個(gè)電磁感應(yīng)器，根據(jù)這兩個(gè)電磁感應(yīng)器接收到的電磁信號(hào)強(qiáng)度之差來(lái)判斷AGV 小車行駛過(guò)程中偏離預(yù)設(shè)路線的程度大小。而且，它的自動(dòng)控制系統(tǒng)也是按照偏離程度來(lái)操控其轉(zhuǎn)向的。該引導(dǎo)方法適用于大部分商業(yè)用的自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車系統(tǒng)，特別是一些體積較大的AGV 小車。這種引導(dǎo)方式的優(yōu)勢(shì)在于金屬導(dǎo)線鋪設(shè)于地下，較為隱蔽，不容易受到外界的污染或者出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，而且引導(dǎo)的工作原理也簡(jiǎn)單明了、可靠性高，方便工作人員進(jìn)行控制及通信，即便是強(qiáng)光強(qiáng)聲的環(huán)境也無(wú)法干擾其正常運(yùn)行，生產(chǎn)的成本也頗為低廉。但不利之處在于AGV 小車運(yùn)行之前，鋪設(shè)金屬導(dǎo)線的前置工作頗為煩瑣，在鋪設(shè)工作完成之后，想要再次更改路徑或者延長(zhǎng)路徑都很麻煩。此外，周圍有磁性大的物質(zhì)（如鐵磁材料）時(shí)，容易干擾電磁感應(yīng)引導(dǎo)的過(guò)程，這一缺陷使得該導(dǎo)引方式難以適用于許多復(fù)雜的路徑中。

2）磁釘引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是使用坐標(biāo)系并通過(guò)定位塊來(lái)把AGV 小車行駛過(guò)程中途徑的區(qū)域劃分為不同的小塊區(qū)域，然后再對(duì)各小塊區(qū)域進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到引導(dǎo)AGV 小車行駛的目的。這種引導(dǎo)方式通?？梢苑譃殡姶攀剑ㄓ么艍K或者金屬塊劃分各個(gè)小塊區(qū)域，并使用電磁感應(yīng)元器件進(jìn)行計(jì)數(shù)）與光電式（用兩種不同的顏色劃分各個(gè)小塊區(qū)域，并使用光電元器件進(jìn)行計(jì)數(shù)）。磁釘引導(dǎo)式擁有良好的美觀性與隱蔽性，制作成本低廉，技術(shù)成熟，可靠性高。而且，磁釘?shù)哪湍バ阅?、耐酸堿性、抗干擾性都比較好，適用于室內(nèi)、室外等多種場(chǎng)所。

3）磁帶引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式和電磁感應(yīng)引導(dǎo)頗為相似，它是通過(guò)在AGV 小車的行駛路徑上粘貼磁帶，并使用磁感應(yīng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行AGV 小車的引導(dǎo)。磁帶引導(dǎo)的精度很高，重復(fù)性也很好，光線對(duì)磁性的影響微乎其微，而且鋪設(shè)磁帶的成本非常低廉。相對(duì)于在地下鋪設(shè)金屬導(dǎo)線的電磁感應(yīng)引導(dǎo)式，這種引導(dǎo)方式較為靈巧，在AGV 小車投入運(yùn)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(xiàn)磨損，影響導(dǎo)引過(guò)程。而且周邊環(huán)境中存在磁性物質(zhì)的話，也很容易影響導(dǎo)引的準(zhǔn)確性。此外，AGV 小車開(kāi)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(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是在AGV 小車行駛路徑上貼上色帶或者涂上油漆，通過(guò)處理攝像機(jī)得到色帶圖像信號(hào)來(lái)達(dá)到引導(dǎo)AGV 小車行駛的目的。這種方式的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)期保持原狀，被破壞或被污染后的色帶（油漆）無(wú)法保證引導(dǎo)過(guò)程的準(zhǔn)確性，容易出現(xiàn)偏差。

5）二維碼引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是把多張二維碼進(jìn)行離散化擺放，使用AGV 小車的車載攝像頭來(lái)掃描二維碼并得出實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)。這種定位方式是非常準(zhǔn)確的，而且張貼二維碼也比較簡(jiǎn)單快捷，不論是AGV 小車運(yùn)行前的鋪設(shè)路徑還是運(yùn)行后的改變及延伸路徑都比較簡(jiǎn)單，進(jìn)行控制與通信也比較容易，而且噪聲和強(qiáng)光的工作環(huán)境不會(huì)對(duì)AGV 小車的引導(dǎo)產(chǎn)生影響。但是不足之處在于要定期對(duì)AGV 小車的行駛路徑進(jìn)行維護(hù)，而且復(fù)雜的環(huán)境下也要時(shí)常更換張貼的二維碼。

6）視覺(jué)引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過(guò)在AGV 小車上安裝攝像頭與傳感器，根據(jù)行駛過(guò)程中攝像頭拍攝得到的地面紋理得出圖像，然后對(duì)比圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中的紋理圖像來(lái)判斷當(dāng)下的位置，從而達(dá)到定位的目的。該方式不需要事先設(shè)置行駛路徑，可以說(shuō)在引導(dǎo)方面極為便捷，柔性程度極高。并且，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展也會(huì)讓圖像采集、圖像處理與圖像存儲(chǔ)等技術(shù)愈發(fā)先進(jìn)。未來(lái)的某一天，視覺(jué)引導(dǎo)或許會(huì)成為應(yīng)用最廣的引導(dǎo)方式[4]。

7）激光引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過(guò)在AGV 小車上安裝能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的激光掃描器（一種光學(xué)距離傳感器），并在AGV 小車的行駛路徑附近安裝相應(yīng)的激光反射板。AGV 小車在運(yùn)行時(shí)用激光掃描器發(fā)射出激光束，并對(duì)周遭激光反射板反射回來(lái)的激光束進(jìn)行接收，從而判斷出當(dāng)下的位置與移動(dòng)方向，并對(duì)比數(shù)字地圖，達(dá)到引導(dǎo)的目的[5]。

8）GPS 引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是使用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行跟蹤與制導(dǎo)，一般應(yīng)用于室外場(chǎng)所的引導(dǎo)行為，引導(dǎo)的可靠性由空中衛(wèi)星的數(shù)量和精度以及AGV 小車周遭環(huán)境的復(fù)雜程度所決定。該技術(shù)目前尚不成熟，還需要假以時(shí)日進(jìn)行完善。

9）鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)。這種引導(dǎo)方式是通過(guò)在AGV 小車上安裝一個(gè)陀螺儀，得到AGV 小車行駛過(guò)程中的x、y、z三軸的角速度與加速度，并由此計(jì)算出AGV 的位置與姿態(tài)。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(jù)鐵磁陀螺儀計(jì)算出的位姿信息與采集到的定位塊信號(hào)得出當(dāng)下的位置與方向，以達(dá)到引導(dǎo)的目的。

10）復(fù)合引導(dǎo)。顧名思義，這種引導(dǎo)方式通過(guò)同時(shí)使用至少兩種引導(dǎo)方式來(lái)達(dá)到引導(dǎo)目的，讓它能夠更好地適用于不同的環(huán)境。例如，二維碼引導(dǎo)式+鐵磁陀螺慣性引導(dǎo)式、激光引導(dǎo)式+磁釘引導(dǎo)式的復(fù)合引導(dǎo)等等，復(fù)合引導(dǎo)能更好地提高AGV 小車引導(dǎo)的柔性程度，隨著技術(shù)的不斷更新，它的使用頻率也將逐步提升。

3 發(fā)展趨勢(shì)

AGV 小車在導(dǎo)航過(guò)程中，會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。若小車行駛時(shí)遇到駐留貨位、貨物托盤的識(shí)別問(wèn)題和某些特定區(qū)域識(shí)別等問(wèn)題，可采用穿透性強(qiáng)、抗干擾性能好、讀卡速度快、讀卡距離適中的RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，從而輕松地穿越物體、快速精確地進(jìn)行標(biāo)簽讀取且不受環(huán)境因素影響并能夠做到準(zhǔn)確停車。對(duì)AGV 小車導(dǎo)引來(lái)說(shuō)，RFID 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)能夠提供更高效的路徑規(guī)劃，進(jìn)行合理的交通管制，防止死鎖與堵塞等現(xiàn)象的發(fā)生[6]。為確保AGV 小車運(yùn)行過(guò)程的準(zhǔn)確性，可以考慮對(duì)其軌跡跟蹤使用模糊預(yù)測(cè)控制，對(duì)其位置姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)、預(yù)測(cè)、反饋校正及滾動(dòng)優(yōu)化，達(dá)到一預(yù)測(cè)、二校正、三控制的效果[7]。同時(shí)，可以根據(jù)已采用算法暴露出的缺點(diǎn)，來(lái)不斷地改進(jìn)、優(yōu)化算法。例如：AGV 小車在糾正偏差的時(shí)候，有糾正時(shí)間較長(zhǎng)、小車車身的擺動(dòng)幅度較大且容易掉線等問(wèn)題。對(duì)此，可以考慮使用自適應(yīng)模糊PD 算法對(duì)AGV 小車左右輪的速度進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，來(lái)改善這三個(gè)問(wèn)題[8]。而且，大力發(fā)展復(fù)合引導(dǎo)方式，是AGV小車導(dǎo)引未來(lái)的發(fā)展方向。例如：可以依托二維碼引導(dǎo)，并結(jié)合視覺(jué)引導(dǎo)與慣性引導(dǎo)這兩種引導(dǎo)方式，提出了基于二維碼和慣性傳感器的復(fù)合引導(dǎo)法，充分發(fā)揮出不同引導(dǎo)方式各自的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到提升AGV小車運(yùn)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(dòng)化、制造標(biāo)準(zhǔn)化、部件模塊化、控制遠(yuǎn)程化等[10]。當(dāng)前，AGV 搬運(yùn)小車基本都擁有了完整的故障檢測(cè)體系，但它依舊離不開(kāi)操作人員的手動(dòng)排除故障。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷革新，未來(lái)的某一天，或許它能夠擁有自動(dòng)檢測(cè)故障、自動(dòng)排除故障的能力。目前，AGV搬運(yùn)小車已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化搬運(yùn)來(lái)取代人力搬運(yùn)，縮減了企業(yè)對(duì)人力的需求，同時(shí)也降低了一線工人的工作強(qiáng)度，與各類智能機(jī)器人一道，有效緩解了相關(guān)企業(yè)用工難、用工貴的難題，也為當(dāng)今社會(huì)人口老齡化日益嚴(yán)峻、青壯年勞動(dòng)力不足問(wèn)題的解決提供了有效方案。AGV 小車是可移動(dòng)的智能機(jī)器人，是工業(yè)邁向自動(dòng)化生產(chǎn)、物流的重要設(shè)備。毋庸置疑，當(dāng)各項(xiàng)技術(shù)缺陷被逐步完善之后，它將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出無(wú)可替代的作用。