AGV 關(guān)鍵技術(shù)淺析

耿牛牛， 王小鐸， 李昌臣， 徐 斌， 牛海頤， 劉 偉

（機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司， 機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司， 北京 100044）

0 引言

AGV 是Automated Guided Vehicle 的 簡 稱，AGV 是一種以充電電池為動(dòng)力， 自動(dòng)導(dǎo)引的無人駕駛自動(dòng)化車輛，它能在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下，按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確行走并停靠到指定的地點(diǎn)， 完成一系列的作業(yè)任務(wù)如取貨、送貨、充電等。 通常被稱為工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支，也叫做物流機(jī)器人。

目前國內(nèi)AGV 種類較多，技術(shù)相對成熟。 大致可按照定位與導(dǎo)引方式、移載方式以及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類。下面將針對各種分類及其特點(diǎn)進(jìn)行描述。

1 定位與導(dǎo)引技術(shù)

定位與導(dǎo)引方式對AGV 性能、適用場景等影響較大。目前使用較多的AGV 導(dǎo)引方式主要有以下幾種類型：

1.1 循跡式導(dǎo)引

該導(dǎo)引方式主要包括電磁感應(yīng)導(dǎo)引、磁帶導(dǎo)引、光學(xué)導(dǎo)引等方式， 基本工作原理為： 在AGV 的行駛路徑上鋪設(shè)電磁導(dǎo)線、永磁性磁帶或光學(xué)色帶等標(biāo)識物，AGV 通過相應(yīng)傳感器對標(biāo)識物進(jìn)行識別和跟蹤，實(shí)現(xiàn)AGV 的導(dǎo)引，見圖1。

圖1 循跡式導(dǎo)引示意Fig.1 Schematic diagram of tracking guidance

該類引導(dǎo)方式的主要優(yōu)點(diǎn)為：導(dǎo)引原理簡單而可靠，制造成本較低，系統(tǒng)部署簡單；而主要缺點(diǎn)則為路線固定、柔性差，調(diào)整變動(dòng)成本高，對周圍環(huán)境干擾較敏感，局部導(dǎo)引速度受限。

1.2 激光反射板導(dǎo)引

該導(dǎo)引方式的基本工作原理為：在AGV 行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV 通過車載激光定位裝置的反饋數(shù)據(jù)，計(jì)算與周圍反射板的相對位置，進(jìn)而根據(jù)確定當(dāng)前的位置和姿態(tài)， 實(shí)現(xiàn)AGV 的導(dǎo)引，見圖2。

圖2 激光導(dǎo)引示意Fig.2 Schematic diagram of laser guidance

該導(dǎo)引方式的主要優(yōu)點(diǎn)為：定位快速精確，能適應(yīng)復(fù)雜的路徑條件及工作環(huán)境，能快速變更行駛路徑和修改運(yùn)行參數(shù)； 而主要缺點(diǎn)則為激光定位裝置成本較高， 需要安裝并精確測量激光反射板，且對車型構(gòu)造以及工作環(huán)境也有一定要求。

1.3 二維碼導(dǎo)引

二維碼導(dǎo)引屬于特殊形式的視覺導(dǎo)引， 技術(shù)起步相對較晚，近幾年主要在自動(dòng)化物流倉庫的輸送、分揀環(huán)節(jié)有了一定的應(yīng)用。 該導(dǎo)引方式通常在地面上以網(wǎng)格形式布置大量二維碼，AGV 通過車體底部攝像頭采集二維碼信息， 從而計(jì)算位置與姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)引，見圖3。

圖3 二維碼導(dǎo)引示意Fig.3 Schematic diagram of QR code guidance

二維碼導(dǎo)引優(yōu)勢為：定位精確， 導(dǎo)引靈活性比較好，鋪設(shè)、 改變或擴(kuò)充路徑也較容易，由于其網(wǎng)格路線的特性可實(shí)現(xiàn)較大的車輛密度。

1.4 SLAM

SLAM 技術(shù)是目前比較先進(jìn)的定位導(dǎo)引技術(shù)。 應(yīng)用SLAM 技術(shù)的AGV 具有適應(yīng)性好、 不需要對環(huán)境進(jìn)行額外的改造、部署效率高、任務(wù)調(diào)整快等優(yōu)點(diǎn)，因此得到快速發(fā)展。 常見的SLAM 技術(shù)分為激光與視覺兩類。

基于激光SLAM 的AGV 配備激光雷達(dá)傳感器，可以對未知的室內(nèi)環(huán)境構(gòu)建地圖，實(shí)現(xiàn)自主行走。 激光SLAM系統(tǒng)通過對不同時(shí)刻兩片點(diǎn)云的匹配與比對， 計(jì)算激光雷達(dá)相對運(yùn)動(dòng)的距離和姿態(tài)的改變， 也就完成了對機(jī)器人自身的定位[1]。 激光SLAM 構(gòu)建的地圖精度高，不存在累計(jì)誤差，且能直接用于定位導(dǎo)航。 可自動(dòng)規(guī)劃路徑，自主行駛，安全高效。

視覺SLAM 指AGV 用攝像機(jī)、深度相機(jī)來做環(huán)境探索和導(dǎo)引。 其工作原理是AGV 對周邊環(huán)境進(jìn)行光學(xué)感知， 將環(huán)境信息壓縮并反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)， 再由該子系統(tǒng)將環(huán)境圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來， 完成機(jī)器人的自主導(dǎo)引定位功能[2]。視覺SLAM 的主要優(yōu)點(diǎn)是可以較為容易的跟蹤和預(yù)測場景中的動(dòng)態(tài)目標(biāo)。

2 主要移載方式

AGV 的移載方式，包括貨叉式、背馱平移式、背馱舉升式等。

（1）貨叉式。 貨叉式AGV 與人工叉車在式樣上基本類似，有側(cè)叉式、正向叉式、落地叉式、三向叉式等多種車型。 貨叉式AGV 采用托盤堆放貨物進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)用較為廣泛，見圖4。

圖4 貨叉式AGV 示意Fig.4 Schematic diagram of forklift AGV

（2）背馱平移式。 主要包括輥道式、鏈?zhǔn)健降龋珹GV通過與地面站臺對接實(shí)現(xiàn)物料移載。該形式移載機(jī)構(gòu)原理簡單，作業(yè)效率較高，可實(shí)現(xiàn)重載物料的搬運(yùn)，見圖5。

圖5 背馱平移式AGV 示意Fig.5 Schematic diagram of horizontal load transfer AGV

（3）背馱舉升式。 移載機(jī)構(gòu)位于AGV 車體上方，AGV通過升降機(jī)構(gòu)馱起或降下實(shí)現(xiàn)貨物的移載， 動(dòng)作簡單，作業(yè)效率高，適合多種貨物形式的往返搬運(yùn)，見圖6。

圖6 背馱舉升式AGV 示意Fig.6 Schematic diagram of vertical load transfer AGV

3 主要驅(qū)動(dòng)形式

AGV 移動(dòng)平臺驅(qū)動(dòng)形式，主要包括單舵輪型、多舵輪型、差速型、全向輪型等。

（1）單舵輪型。 單舵輪驅(qū)動(dòng)AGV 包含1 個(gè)牽引/ 轉(zhuǎn)向一體式驅(qū)動(dòng)輪，提供牽引力并控制轉(zhuǎn)向。該結(jié)構(gòu)類似于阿克曼底盤，運(yùn)動(dòng)靈活性不高，在狹窄通道或復(fù)雜環(huán)境中通過性較差。

（2）多舵輪型。 多舵輪驅(qū)動(dòng)AGV 包含多個(gè)牽引/ 轉(zhuǎn)向一體式驅(qū)動(dòng)輪，提供牽引力并控制轉(zhuǎn)向。這種車型的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)全方位行駛， 特別適合狹窄通道或?qū)ψ鳂I(yè)方向有特別要求的環(huán)境和場合，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，根據(jù)車輪材料的不同，對地表面的平整度也有一定要求。

（3）差速型。 差速型AGV 使用兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)輪，以及若干萬向從動(dòng)輪， 依靠兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 該形式AGV 結(jié)構(gòu)簡單，但對電機(jī)轉(zhuǎn)速同步要求較高，對地面平整度也有一定要求。

（4）全向輪型。全向型AGV 通常配備多組麥克納姆輪作為驅(qū)動(dòng)輪，具有極強(qiáng)的靈活性，可實(shí)現(xiàn)任意方向的平移和旋轉(zhuǎn)，能夠在狹小空間內(nèi)完成作業(yè)。 但其工作時(shí)有一定的震動(dòng)和噪音，輪子壽命不高，對地面平整度有一定要求。

4 結(jié)論

目前國產(chǎn)AGV 相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品越來越成熟。 通過上述技術(shù)方式的搭配組合，可形成豐富的產(chǎn)品種類。對于不同的使用需求，應(yīng)選用適合的技術(shù)方案，以便最大程度發(fā)揮AGV 系統(tǒng)的效能。