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(jì)九十年代中期，AGV在我國(guó)開始得到實(shí)際應(yīng)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(shù)制約，價(jià)格居高不下。AGV作為生產(chǎn)輔助的搬運(yùn)工具，其推廣和應(yīng)用受到了明顯的制約，能夠進(jìn)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(yīng)用；2005年后，國(guó)內(nèi)先后出現(xiàn)了數(shù)家生產(chǎn)簡(jiǎn)易型AGV即AGC產(chǎn)品的企業(yè)，使AGV的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋各行各業(yè)。
二、AGV技術(shù)發(fā)展綜述
二十幾年前，就有國(guó)外專家總結(jié)過AGV的三大技術(shù)要點(diǎn)：我在哪里？我要去哪里？我怎么去？形象地指出了導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、導(dǎo)引是AGV的重要組成部分。筆者個(gè)人曾增加了一點(diǎn)：我到那里做什么？即AGV的“操作”。
1. 導(dǎo)航與導(dǎo)引
AGV作為輪式移動(dòng)機(jī)器人（WMR-Wheeled Mobile Robot）的一個(gè)分支，其主要特征就是自動(dòng)導(dǎo)引，隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航、導(dǎo)引技術(shù)也不斷提升。目前，常用的導(dǎo)引、導(dǎo)航方式有：電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、色帶導(dǎo)引、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、磁釘導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航以及基于圖像識(shí)別的二維碼標(biāo)簽導(dǎo)航等。最初，AGV只是簡(jiǎn)單地沿著固定的物理線路行駛，被稱為“固定路徑導(dǎo)引”（如電磁導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、色帶導(dǎo)引等）；后來，AGV能夠根據(jù)導(dǎo)航及路徑規(guī)劃信息，自動(dòng)選擇預(yù)設(shè)的“邏輯線路”行駛，被稱為“自由路徑導(dǎo)引”（如激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)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(biāo)點(diǎn)的位置及航向的過程，稱為“導(dǎo)引”（Guidance）。在“固定路徑導(dǎo)引”的方式中，導(dǎo)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(dǎo)引”。而在“自由路徑導(dǎo)引”方式中，AGV導(dǎo)航傳感器得到的是間接信號(hào)，如，激光導(dǎo)航通過激光掃描器測(cè)出反射板的夾角和距離；慣性導(dǎo)航通過陀螺儀測(cè)出角加速度并配合地面標(biāo)簽位置，通常這類信號(hào)無法直接用于導(dǎo)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(dǎo)航”（Navigation）。從技術(shù)上來說，所有“固定路徑導(dǎo)引”方式，其本質(zhì)是一樣的，都是“一維”的有線導(dǎo)引，AGV單機(jī)無需全局坐標(biāo)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(dǎo)引”方法有很多，有基于“燈塔（Beacon）”信息的激光導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航，有基于地標(biāo)信息的慣性導(dǎo)航、標(biāo)簽導(dǎo)航，有根據(jù)環(huán)境信息的環(huán)境導(dǎo)航或自然導(dǎo)航，“自由路徑導(dǎo)引”的共同特點(diǎn)是：AGV單機(jī)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(xué)函數(shù)表達(dá)出來的軌跡（Trajectory）。
AGV的導(dǎo)航、導(dǎo)引技術(shù)多種多樣，不同的場(chǎng)合可采用不同的導(dǎo)引技術(shù)。單一的導(dǎo)引技術(shù)無法覆蓋所有的應(yīng)用：在有叉車行駛的場(chǎng)合不宜選用磁帶導(dǎo)引；路徑需要經(jīng)常變換的場(chǎng)合，應(yīng)考慮激光導(dǎo)引，而露天環(huán)境，考慮到氣候因素，則不宜采用激光導(dǎo)引；路徑復(fù)雜的場(chǎng)合應(yīng)盡量考慮“自由路徑導(dǎo)引”方式。導(dǎo)航、導(dǎo)引技術(shù)沒有孰優(yōu)孰劣，而應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境，因地制宜地靈活運(yùn)用。導(dǎo)航、導(dǎo)引技術(shù)始終是AGV發(fā)展最主要的部分。目前，圖像識(shí)別導(dǎo)航（環(huán)境導(dǎo)航）、無反射板激光導(dǎo)航（自然導(dǎo)航、輪廓導(dǎo)航）、差分GPS、室內(nèi)GPS也已得到應(yīng)用，未來必將有更多的導(dǎo)航、導(dǎo)引技術(shù)出現(xiàn)。
2. 驅(qū)動(dòng)方式
目前AGV常用的驅(qū)動(dòng)方式可以歸納為三種：驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向模式（Steer Driving）、差速驅(qū)動(dòng)模式（Differential Driving）和全方向（位）驅(qū)動(dòng)模式（Quad Motion）。
驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向是指用一個(gè)驅(qū)動(dòng)總成兼有行走和轉(zhuǎn)向功能，此種驅(qū)動(dòng)方式的AGV運(yùn)動(dòng)性能稍差，轉(zhuǎn)彎半徑較大，但導(dǎo)引及運(yùn)動(dòng)的可靠性高。
差速驅(qū)動(dòng)是指AGV左右對(duì)稱安裝兩個(gè)固定的驅(qū)動(dòng)輪，依靠左右驅(qū)動(dòng)輪的差速來實(shí)現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向，差速驅(qū)動(dòng)模式的AGV轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性較好，但驅(qū)動(dòng)輪的磨損較為嚴(yán)重。
全方位驅(qū)動(dòng)是以兩個(gè)或兩個(gè)以上兼有行走和轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動(dòng)總成，或配置多個(gè)麥克納姆輪（Mecanum），實(shí)現(xiàn)全方位的運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：保持AGV的航向不變，實(shí)現(xiàn)平移或側(cè)移（Crabwise）；AGV能夠變化回轉(zhuǎn)軸線，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。
在電機(jī)使用方面，隨著低壓交流電機(jī)性能的不斷提高，以無刷鼠籠式交流電機(jī)替代有刷永磁直流電機(jī)成為AGV驅(qū)動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)，工程機(jī)械中的液壓伺服驅(qū)動(dòng)也在重載AGV上得到了應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用和完善，使得AGV的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(xué)”原理。近年來，隨著電池技術(shù)的成熟，超級(jí)電容在AGV上的應(yīng)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(zhǎng)。另外，隨著無接觸能量傳輸技術(shù)的發(fā)展，以部分德國(guó)企業(yè)為代表的相關(guān)產(chǎn)品在部分領(lǐng)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(shí)的工作模式等。從AGV應(yīng)用角度看，電池作為能量供應(yīng)載體仍然是目前AGV供電主流方案，其中鉛酸、鎘鎳電池應(yīng)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(yīng)用，但使用環(huán)境及條件也較嚴(yán)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(jí)較高的應(yīng)用領(lǐng)域需要謹(jǐn)慎；超級(jí)電容的應(yīng)用因其容量因素限制，一般會(huì)揚(yáng)長(zhǎng)避短與電池進(jìn)行配套使用；無接觸供電技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于具有固定路徑的AGV系統(tǒng)有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，讓AGV在移動(dòng)中持續(xù)獲得電能成為可能，從而擴(kuò)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(shù)也作為電池供電的補(bǔ)充，實(shí)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(dòng)充電（快充/慢充、空閑充電/定時(shí)充電/定量充電）、人工充電或換電池（人工/自動(dòng)換電池）。國(guó)外也有在AGV上裝備“柴油機(jī)+發(fā)電機(jī)+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(duì)多臺(tái)AGV進(jìn)行有效的控制，對(duì)各種任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化排序，對(duì)AGV的分配及行駛路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，實(shí)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(wù)，以及各臺(tái)AGV所處的當(dāng)前位置來優(yōu)化車輛的分配。
在不同的應(yīng)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(gè)因素會(huì)被考慮：系統(tǒng)最短響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)最高作業(yè)效率、系統(tǒng)最低能耗。這三個(gè)因素存在著辯證關(guān)系，如，系統(tǒng)最高作業(yè)率和系統(tǒng)最低能耗都要求對(duì)任務(wù)進(jìn)行“堆積”，找出最合適的AGV來執(zhí)行最合適的任務(wù)，從而減少AGV的“空跑率”。這個(gè)方法與系統(tǒng)最短響應(yīng)時(shí)間相矛盾，極端的情況是，有的任務(wù)永遠(yuǎn)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(xiàng)目中的匹配，以滿足項(xiàng)目對(duì)時(shí)間、空間及系統(tǒng)能耗的要求。
在任務(wù)控制模式上，有兩種概念：一種是由上位計(jì)算機(jī)安排任務(wù)到空閑的AGV單機(jī)；另一種更為流行的做法是空閑AGV單機(jī)主動(dòng)向上位計(jì)算機(jī)申請(qǐng)任務(wù)，這種做法能夠減輕上位計(jì)算機(jī)負(fù)荷，更加體現(xiàn)出單機(jī)的智能化水平。
三、AGV技術(shù)應(yīng)用
目前，在國(guó)內(nèi)的AGV技術(shù)應(yīng)用分為兩種。
第一種技術(shù)追求AGV的完全自動(dòng)化，幾乎不需要人工的干預(yù)，路徑規(guī)劃和生產(chǎn)流程復(fù)雜多變，能夠運(yùn)用在幾乎所有的搬運(yùn)場(chǎng)合。這些AGV功能完善，技術(shù)先進(jìn)，系列產(chǎn)品的覆蓋面廣：各種驅(qū)動(dòng)模式，各種導(dǎo)引方式，各種移載機(jī)構(gòu)應(yīng)有盡有，系列產(chǎn)品的載重量可從50kg到60000kg。
第二種技術(shù)追求的是簡(jiǎn)單實(shí)用，極力讓用戶在最短的時(shí)間內(nèi)收回投資成本，該類AGV完全結(jié)合簡(jiǎn)單的生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境，即，單一的路徑、固定的流程。在導(dǎo)引方面，采用簡(jiǎn)易的磁帶導(dǎo)引方式，此類AGV稱之為AGC。與AGV相比，AGC有其自身技術(shù)特點(diǎn)：第一，通常選用“固定路徑導(dǎo)引”方式，即磁帶導(dǎo)引或電磁導(dǎo)引；第二，需求相對(duì)簡(jiǎn)單，甚至不需要上位控制系統(tǒng)；第三，不追求導(dǎo)引及定位精度，只需將貨物運(yùn)送到大致的位置；第四，通常不需要移載機(jī)構(gòu)，可由人工裝卸或采用拖拽式。
AGV與AGC在單機(jī)上，本質(zhì)是相同的，都必須解決導(dǎo)引問題。從字面理解，也只是“Vehicle”與“Cart”的差別。筆者認(rèn)為，之所以區(qū)分它們，是因?yàn)樵趩螜C(jī)性能和系統(tǒng)性能上的差別：在單機(jī)上，AGV往往更需追求定位精度（單車重復(fù)定位、多車重復(fù)定位），而AGC對(duì)此并無特別需求；在系統(tǒng)控制上，AGV的路徑、任務(wù)分配、車輛分配須實(shí)時(shí)計(jì)算，進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，不到最后一刻，AGV單機(jī)并不能確定自己的任務(wù)，而AGC通常是順序執(zhí)行，通常在啟動(dòng)時(shí)就已確定路徑和任務(wù)。正是因?yàn)檫@些差別，AGV系統(tǒng)控制的復(fù)雜度要高得多。
四、AGV技術(shù)展望
在中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展必須立足于自主創(chuàng)新，擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品的依賴是中國(guó)AGV產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)步發(fā)展的必經(jīng)之路。
AGV作為自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備能夠應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，需求也多種多樣。未來企業(yè)對(duì)AGV的需求不僅僅是簡(jiǎn)單的搬運(yùn)或簡(jiǎn)單地替代人力，而是對(duì)整個(gè)工藝裝備的需求，對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量的需求，對(duì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的整體考慮。為此，AGV的技術(shù)研發(fā)應(yīng)該更加注重面向工藝、面向成本、面向服務(wù)。因此，筆者認(rèn)為，AGV技術(shù)仍然有廣闊的發(fā)展空間：系統(tǒng)技術(shù)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(jī)控制技術(shù)上需要更加人性化，使AGV更為智能，更加易用，更加便于維護(hù)。隨著AGV的使用范圍越來越廣，AGV技術(shù)的“專業(yè)知識(shí)”也必須與應(yīng)用行業(yè)的“領(lǐng)域知識(shí)”相結(jié)合，以工藝創(chuàng)新為基礎(chǔ)，為AGV的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新提供源動(dòng)力。
本文摘選自《物流技術(shù)與應(yīng)用》雜志
