車間智能物料運載車的發展綜述

張柏 張興國 郭旭 唐玉芝

摘 要：作為移動機器人一員的智能物料運載車能實現自主導航功能，不但可以減輕工人的勞動強度，還可以提高工作效率，增強安全性，并進一步提升產品的市場競爭力等。本文主要綜述了運載車的結構設計、路徑規劃、自主導航方法和選擇最佳路徑的方法，為智能物料運載車的車間應用提供了參考。

關鍵詞：運載車；移動機器人；導航；智能化；綜述；

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）9（b）-0000-00

前言

隨著現代科技的飛速發展，采用智能機械減輕人類體力勞動的應用越來越多。智能物料運載車不但可以減輕工人的勞動強度，還可以提高效率，增強安全性，提升產品的競爭力等，在各行業得到廣泛應用。

1智能運載車的結構及其發展

美國Basrrett電子公司于1953年開發成功世界上第一臺自主導航車，由一輛牽引式拖拉機改造而成的，可以在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導航線運輸貨物。運載車的結構隨著技術進步不斷地改變創新，性能也得到了質的飛躍，人性化、重型化、微型化、智能化已成為未來的發展趨勢。運載車一般由車主體、動力裝置、控制裝置三部分組成。

1.1智能運載車的結構

智能運載車的結構課分為底盤、動力裝置和控制裝置三部分。一般的運載車配有四個輪子，車底盤采用具有一定的強度的鋼材，通過控制機構實施前進、后退、轉向、停車等，可以采用后輪驅動前輪轉向的方式、差動驅動方式或四個輪子全驅動方式。

1.2智能運載車的動力源

智能移動機器人的動力源大致分為四種：電氣式、液壓式、氣壓式和機械式。還可以分為內部儲存、外部供給、內部產生等方式。車間用運載車一般用蓄電池及其充電控制裝置，電池大多使用有鉛酸蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等電池，還要準備安全的充電設備，和必備的安全裝置。

1.3智能運載車的安全裝置

智能運載車在運行過程中存在著很多危險因素，其安全裝置很重要，不但對運載車在運行過程中的安全做保障，而且對現場的人員和工廠里的設備有著很大的保障。軟件上，當智能運載車遇到危險情況下，比如觸碰墻壁、人員等，車子即刻通過防觸碰傳感器感知，而后做出停車或倒退的動作。硬件上，在現場用顯眼的警示牌張貼在智能車經常出沒的路線上，在智能車的上端配置安全燈，旁邊佩戴聲音裝置。當遇到危險路況閃爍并報警，提示周圍人員注意。

2智能運載車的行走策略

2.1智能運載車的路徑規劃和自主導航方法

2.1.1智能運載車的路徑規劃

基于模板匹配路徑的規劃技術，是將機器人當前的狀態和環境與過去進行比較，找到相近的狀態并進行修改，從而得到一個新的路徑。這種方法在環境確定的情況下，有著較好的應用效果，原理簡單、匹配成功效果好。但缺點是依賴于機器人過去的經驗，同時一旦外界環境發生改變，要及時改變模板。

基于人工勢場路徑規劃技術的思想是將機器人在環境中運動視為一種在虛擬人工受力場中的運動，障礙物對機器人產生斥力，而目標對機器人產生引力，這樣引力與斥力的控制下就會產生對機器人的控制力，從而避開障礙物到達目標位置。早期的路徑規劃環境是靜態的，保持不變的靜態人工勢場，就是障礙物和目標都是靜態不變的，機器人只要根據目標和障礙物的位置，具體規劃出具體的路徑，而后達到目標終點。然而現實生活中，目標終點往往是動態的，周圍的環境也是動態的，也就是說障礙物和目標終點都是移動的，為了解決這樣的動態環境下的路徑規劃問題，人們提出一種相對動態人工勢場的方法，把時間看成規劃模型的一維參考量，而移動的障礙物在擴展模型中仍然被看做是靜態的，這樣動態的障礙物在擴展的模型中仍然被看成是靜態的，這樣的動態路徑規劃仍可運用靜態路徑規劃方法加以實現。

基于地圖構建路徑規劃技術是根據機器人自身傳感器接收道德信號，搜尋道德存在障礙物等信息，將機器人所處周圍環境劃分成不同的網格空間，計算機根據網格空間的障礙物的占有情況，再依據一定的規劃確定最優的路徑。其中地圖的構建又分為可視線法、切線圖法、Voronoi圖法、概率圖展開法等。目前，地圖構建技術已成為移動機器人路徑規劃研究的熱點之一。

人工智能路徑規劃技術就是將現代人工智能技術運用在移動型機器人的路徑規劃過程中，如人工神經網絡、進化計算、模糊邏輯與信息融合等。其中遺傳算法是最早應用在組合優化問題的智能優化算法，該算法和派生算法在機器人應用領域中應用廣泛。不足之處在于遺傳算法和蟻群算法的路徑規劃技術主要針對路徑規劃中的部分問題。

2.1.2移動機器人的自主導航方法

自主導航方式就是指讓機器人、運載車運行的方向和路徑按照我們所想要的方向和路徑進行。如激光導航、坐標導航、視覺導航、路徑導航規劃等。

光學導航就是在地面上連續鋪設一條用發光材料制成的帶子，或者用發光材料涂抹在規定的運行路徑上。而后在機器人運載車底盤上安裝檢測反射光的傳感器，用左右偏差來測定校正控制電機驅動和方向。若把發光材料帶子換成金屬磁帶，安裝磁性傳感器，根據檢測的磁場來確定就是磁導航。

電磁感應導航方式與磁性導航相似，它也是在地面上預先設定規劃行駛路線，在相應的路線下埋下電線，當高頻電流流過導線，周圍相應的產生電磁場，在機器人運載車上左右對稱安裝若干個電磁傳感器，他們所接收的電磁信號的強度差異可以矯正行駛路線的偏離度。根據這樣的信號就可以控制機器人運載車的方向。

激光導航方式是在機器人運載車上安裝可以旋轉的激光掃描器，同時保證在需要經過的路徑途中的墻壁或者支柱上安裝高光性反射板，然后根據接收四面八方的定為標志放射回來的信號，計算此時處在的位置和運動方向。通過內置的數字地圖來進行方位的矯正，從而實現自動運行。同樣若激光信號改成紅外發射器或者超聲波發射器即可變成紅外導航或者超聲波導航方式。

視覺導航方式就是在機器人運載車中設置有行駛周圍路徑的圖像數據，在行駛過程中，通過車載攝像機和傳感器獲取周圍的圖像信息并和數據庫進行比較，從而確定相應的位置，作出下一步決策。

2.2選擇最佳路徑的方法

智能物料運載車使用空間是在相對靜態的車間里，所以可以選擇用模板匹配的方法進行路徑匹配。這個模板庫中要盡可能地包含已經產生的路徑信息和環境信息，同時這些模板均可以通過特定的索引而獲取到。當機器人在規劃路徑時候，根據所處的環境信息和路徑信息進行信息匹配，尋找到一條最優的模板，然后進行相應的修正，并作為最后的結果。一旦車間結構或者位置發生改變，只需要改變模板庫路徑，即可實現智能運載車準確的到達目標位置。同時還要考慮避障問題，大概分為兩類：基于路徑規劃法和基于傳感器反映避障法。基于路徑規劃法避障是假設周圍的環境是靜態不動的，傳感器反映式避障法則無需事先規劃，可將兩種避障方法同時使用時候提高可靠性。

3結語

車間智能車物料運載車可以有效減輕工人的勞動強度，增強車間之間的有效銜接，定會成為未來科技發展的主流。

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