文：重庆长安汽车股份有限公司工艺技术部 郭小鱼、李丽辉、乐虎
摘要：与传统的传送辊道、链条或传送带等相比，AGV输送存在施工简单、路径灵活、不占用空间、移动性较好、柔性等优点。随工业技术的发展，AGV广泛应用于柔性制造系统，大大地提高了物流效率。本文简单阐述了AGV的定义、基本结构及典型部件，对AGV的发展模式进行了概述，并介绍了铸造生产线的两种应用模式及案例，对AGV系统的关键技术及发展概况进行了较为详细地分析和综述。
关键词：AGV，关键技术，发展
1、前言
AGV的应用代替传统的人工搬运的方式，大大促进了企业的技术进步，改善工作条件和环境，提高自动化生产水平，有效地解放劳动生产力，减轻工人的劳动强度，缩减人员配备，优化生产结构，节约人力、物力、财力，创建人机友好、和谐宜人、科学文明的生产环境。
AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。因此，在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。
2、AGV的定义
AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自动导引小车，它是一种以电池为动力，装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程、停车选择装置、安全保护以及各种移载功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的导引路径行驶，到达指定地点，完成一系列作业任务。其系统技术和产品已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术。
3、AGV的基本结构及典型部件
AGV的基本结构如图1所示，典型部件如图2所示。
1) 车体：由车架和相应的机械装置所组成，是AGV的基础部分，是其他总成部件的安装基础。
2) 蓄电和充电装置：AGV常采用24V和48V直流蓄电池为动力。蓄电池供电一般应保持连续工作8小时以上的需要。
3) 驱动装置：由车轮、减速器、制动器、驱动电机及速度控制器等部分组成，是控制AGV正常运行的装置。其运行指令由计算机或人工控制齐发出，运行速度、方向、制动的调节分别由计算机控制。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。
4) 导向装置：接受导引系统的方向信息，通过转向装置来实现转向动作。
5) 车上控制器：接受控制中心的指令并执行相应的指令，同时将本身的状态（如位置、速度等）及时反馈给控制中心。
6) 通信装置：实现AGV与地面控制站及地面监控设备之间的信息交换。
7) 安全保护装置：包括对AGV本身的保护、对人或其他设备的保护等方面。
8) 移载装置：与所搬运货物直接接触，实现货物转载的装置。
9) 信息传输与处理装置：对AGV进行监控，监控AGV所处的地面状态，并与地面控制站实时进行信息传递。
4、AGV的发展历史及现状
4.1 AGV的发展历史
世界上第一台AGV是美国Barrett点子公司于20世纪50年代初开发成功的,它是一种牵引式小车系统,可十分方便地与其他物流系统自动连接,显著地提高了劳动生存率,极大提高了装卸搬运的自动化程度。1954年英国最早研制了电磁感应导向的AGV，由于它的显著特点，迅速得到了应用和推广。到了70年代中期，由于微处理器及计算机技术的普及，伺服驱动技术的成熟促进了复杂控制器的改进，并设计出更为灵活的AGV。到了20世纪80年代末，国外的AGV达到发展的成熟阶段。
到目前为止，在全球范围内已经装备了至少15万辆 AGV。其中，在发动机行业的占有量约10%，即1.5万辆左右。AGV在我国的研究和应用比国外晚20年，发动机行业可以说是到了本世纪初才逐步开始应用。一直以来我国都在AGV领域不断的加大投入，以改变依赖进口的局面，近年来，以沈阳新松、云南昆船、苏州华晓等一系列的AGV厂家如雨后春笋般涌现出来，并且在技术上取得了很大的进步，大幅度缩小了与国外AGV 的差距。
4.2 AGV的特点及类型
AGV有以下特点：自动化程度高、充电自动化、美观、安全性、成本控制、易维护、可预测性、降低产品损伤、改善物流管理、较小的场地要求、灵活性、长距离运输。
AGV的分类方式有多种，按导引方式分有直接坐标导航方式、电磁导航方式、磁导航方式、激光导航方式、光学导航方式、惯性导航方式、图像识别导航方式、GPS导航方式；按驱动方式分有单驱动、差速驱动、双驱动、多轮驱动；按移栽方式分有推挽式、辊道式、链式、带式、牵引式、驮举式、叉式、拣选式、龙门式、机器人式；按通讯方式分有有限通讯、红外光通讯、无线电通讯、无线局域网。
AGV的主要技术参数包含运载类别、承载质量、行走速度、驱动方式、导航方式、通讯方式、控制系统、蓄电池等20余项关键指标，其中以导航方式、控制系统、蓄电池等技术参数最为重要也最为复杂，也是各大AGV厂家一直致力研发突破的关键技术。
4.3 AGV的发展模式及现状
第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化，几乎完全不需要人工的干预，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；同时为了能够采用模块化设计，降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美的AGV放弃了对外观造型的追求，采用大部件组装的形式进行生产；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（60吨）。尽管如此，由于技术和功能的限制，此类AGV的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产，技术水平与国际水平相当。
第二种是以日本为代表的简易型AGV技术或只能称其为AGC（Automated Guided Cart），该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，这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛，从数量上看，日本生产的大多数AGV属于此类产品（AGC）。该类产品完全结合简单的生产应用场合（单一的路径，固定的流程），AGC只是用来进行搬运，并不刻意强调AGC的自动装卸功能，在导引方面，多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达，AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件，使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用，2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低，目前国内已知的能够自主研发的有苏州艾吉威机器人有限公司生产研发服务一体的少数几家。
5、 AGV在铸造生产线上的应用
长期以来，铸造生产线上铸件的运输工艺及物流是个老大难问题，我们总是纠结于输送线的选型，是采用滚筒输送线还是采用链条输送线或者是采用链板输送线，采用滚筒输送线时选用何种滚筒，采用链条输送线时选用何种链条，产品如何定位、如何导向，不同产品如何混线等一系列问题，总是没有跳出柔性制造与设备不兼容的矛盾怪圈，不是设备故障率高，就是适应产品品种单一，或者物流路线不通畅。而近年来AGV的技术不断完善，种类更加丰富，铸造生产线的物流自动化也随之质变。
AGV因具有自动化程度高、安全、灵活等特点，而广泛应用于汽车制造、机械加工等自动化生产和仓储系统，它是柔性制造生产线和自动化立体仓库等现代化物流仓储系统的关键设备之一。不少国内主机厂都开始广泛运用AGV来实现柔性化、自动化物流运输，下面介绍国内铸造厂的两种典型模式的运用案例，一种是AGV，另一种是AGC。
5.1 A公司发动机铸造生产线叉式AGV运用案例
A公司发动机铸造车间近期要新建一条发动机缸体压铸生产线，物流方案从最初的人工叉车运输变更为输送线，后期考虑使用通道、空间及生产效率最大化使用等问题，最后变为叉式AGV实现自动化运输。
原设计方案为适应不同产品，压铸机下线产品由人工装箱后由叉车叉运至毛刺清理工序，生产线主要工艺流程及布局示意图见图3所示。这样的设计压铸机产品下线至少需要1人/台/班装箱，此外叉车往复运输需要至少1人/线/班，后一工序的上线还必须有1-2人/线/班，因此本线的人员需求为需6人/线/班，且多为人工搬运操作。
考虑到人力成本，后改进方案采用链条输送线，可兼容同平台多种产品。压铸机下线产品直接通过输送线运输至下一工序，工艺流程图及布局示意图见图4所示，大大减少了人员需求，实现产品运输无人化。但是由于输送线阻隔了人行及叉车通道，车间区域内车辆和行人需绕行，无法直接通过，造成运输距离长，效率低下，且长距离的输送线运故障率往往居高不下，降低了整线设备的开动率，也给设备维护带来难度。
后经过讨论，方案设计更改为使用激光导航方式的叉式AGV作为中间过程的运输和搬运，压铸机下料口考虑采用机器人自动码垛，后工序上料口采用机器人拆垛自动上料，整个运输过程采用AGV自动运输、自动装卸货。工艺流程图及布局示意图见图5所示。这样以来，相比原方案减少了人员需求，物流通道更畅通，提高设备自动化，减少人工搬运、提高工作效率和工艺流程的可控性。此外，因AGV可自动避让行人和物体，安全风险消除，避免了维修过程中人员在输送物流下穿越的安全风险。
此方案AGV的选型也颇具特点。因AGV种类繁多，用法也不尽相同。本方案产品码垛与原方案人工装箱的批量运输类似，考虑到与其他生产线的人工叉车通用，故采用叉式AGV，而导航方式的选择之所以选用激光导航，除考虑磁条导航的易损坏影响美观及其他导航在铸造线的缺乏应用经验等原因外，最重要的是因为激光导航的精度高，能满足前后端机器人自动码垛拆垛的精度需求。这种类似的应用早有案例，如某知名汽车制造厂的立体铸造工房内就采用了叉式AGV将制芯工位的砂芯运输至输送线升降机，定位运输至二层的浇注工序，如图6所示。
5.2 B公司发动机铸造生产线AGC运用案例
相比上述AGV运用案例，B公司的缸体压铸生产线运用AGV系统的方案更简易粗犷。因为B公司是日系合资企业，其AGV的运用模式就是采用的日本简易型AGV技术即GC（Automated Guided Cart），该技术追求的是简单实用。
其AGC与压铸机及后工序的接口采用辊子链输送线，即压铸机下料口及后工序上料口设置多个滚子链移载台，而AGC背部设置对应的滚子链输送线，AGC在上下料口与辊子链移栽台对接时，每次移栽一个缸体后AGC向前移动一个位置继而移栽下一个缸体。因B公司该铸造生产线的缸体品种相对单一（单一的路径，固定的流程），AGC作为搬运工具配置上十分简单，而且链条输送线移栽的精度要求较低，所以在导引方面，采用简易的磁带导引方式，如图7所示。
总的说来，B公司的AGC配置上完全契合日本AGV的发展模式，除了电池、驱动机构、辊子链及导航机构外，都是简单得不能再简单的功能器件，使得AGC的成本非常低。
6、 AGV的关键技术及发展
AGV主要技术在于驱动、导航、通讯、控制、蓄电池，而其中尤其以导航及其控制最为关键。从AGV的结构结合上述两个案例及AGV的分类不难看出，使用者在AGV选型的时候根据应用场合选择合适的驱动方式和移栽方式，这是AGV 选型的基本要素，也是其基本技术参数，而AGV之所以能够实现无人驾驶，之所以能够实现智能化，导航及其控制对其起到了至关重要的作用。
曾经有外国专家对AGV控制系统需要解决的主要问题做了恰当的比喻：Where am I？（我在哪儿？）Where am I going？（我要去哪里？）How can I get there？（我怎么去？）其实这三个问题归纳起来分别就是AGV控制系统的3个主要技术：AGV的导航、AGV的路径规划、AGV的导引控制。
AGV的导航：主要有直接坐标导航、电磁导航、磁带导航、激光导航、光学导航、惯性导航、图像识别导航、GPS导航8种，它们在铺设条件、扩展性、精度、可靠性等方面各有优缺点，几种常用的导航方式做简单的比较如图8所示。直接坐标导航因为需要地面测量划分坐标区域、安装复杂、路径单一等缺点难以满足工业需求，目前已很少使用。磁带导航与传统的电磁导航相近，只不过磁带导航使用在地面贴磁带代替了电磁导航的地面下埋设金属线的方式，磁带导航由于灵活性好，改变和扩展路径容易而被广泛采用，上述广汽丰田案例就是用的磁带导航，但磁带易受损，导航可靠性受外界影响较大。惯性导航是在AGV路径上安装定位块，通过AGV上的陀螺仪对定位块的定位实现导航，技术先进，灵活性强，但是成本较高。光学导航、视觉导航、GPS导航技术对环境要求高，成本也高，技术还在发展和完善，工业运用相对较少。激光导航采用三角几何定位方式定位导航，精度高，是目前国内外许多AGV厂家优先采用的方式。
AGV的路径规划：柔性制造系统和物流自动化运输系统从一开始对单台AGV的研究，发展到了对多个AGV组成的物流系统的研究。多AGV的路径规划作为直接影响多AGV系统整体性能的重要部分，一致受到AGV厂家及学者的关注。与生活中交通信号灯类似，多AGV系统的路径上存在多个调度点，多点的实时调度形成了一个复杂的交通网络，例如下图9a、图9b分别为两个不同公司的AGV地图，其中图9aAGV调度站点个数超过3000个，图9b调度站点约为2500个。如果没有做好规划，网络中的AGV往往出现AGV的闲置或者打架。
AGV的导引控制：导引是根据导航所得到的位置信息，按路径所提供的目标计算出AGV的实际控制命令值，这是AGV控制技术的关键。简单看来，就是AGV轨迹跟踪。这对有线的导航方式如电磁、磁带等不会有太多的问题，但是对激光、惯性等无线导航方式确是一件不容易的事情。导引控制实际上根据AGV的实际环境设计出的AGV运行路径轨迹，AGV单机按照地面控制系统下发路径属性自动行驶，然而AGV的参考点如何沿着既定轨迹行走，一般需要实现直线段和四次方曲线的导引控制。对于不同驱动方式的AGV来说，由于运动学模型不一样，对应的导引控制算法也不同。在具体的设计过程中，利用一种“追踪导引方法”，即在AGV的运行过程中参考点始终追踪路径轨迹上的虚拟点，这个虚拟点就像是在赛狗时所用的兔子，AGV永远追不上，但永远在AGV前面不远的地方，AGV前进的方向始终指向虚拟点，通过这样的周期性调节，就可以使AGV以很小的误差沿着路径轨迹行走，如图10所示。
图10 AGV运行路径轨迹追踪
7 、结束语
随着工业4.0的引入及柔性化、自动化及智能化制造的需求，短短几年间，AGV已经有了长足的发展，越来越多的AGV运用于物流运输，很多行业的AGV从无到有，从有到多，从多到精。预计在未来几年，AGV小车将会出现在各个行业的车间里，AGV小车作为自动化无人搬运，设备能够降低人工劳动强度提升工作效率。同时一些“不可能完成的任务”，它能娴熟快速的完成。譬如：汽车、航天、化工等大型设备的装配车间引进AGV小车，实现点对点自动存取搬运作业，实现精细化、柔性化、信息化、缩短物流时间、降低商品损耗，减少建设投资的成本。
