劉劭純

（北京特種機(jī)械研究所，北京100143）

1 引 言

2020年新春伊始，新冠病毒肺炎肆虐全國。為了抗擊疫情，絕大多數(shù)行業(yè)停工、停產(chǎn)。在這種特殊形勢下，各種不同功能的機(jī)器人成為了疫情防控的一支重要力量。消毒機(jī)器人能夠根據(jù)設(shè)定好的消毒需求、消毒模式，自主沿規(guī)劃路徑消毒。消毒機(jī)器人可連續(xù)工作，消毒效率高，減少了醫(yī)護(hù)人員交叉感染的幾率；餐飲服務(wù)機(jī)器人在完成地圖繪制、路線規(guī)劃后，自主導(dǎo)航為方艙醫(yī)院內(nèi)的輕癥患者們配送藥品、餐品，回收垃圾，減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)［1］。物流機(jī)器人、測溫機(jī)器人、巡邏機(jī)器人等也在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。這些機(jī)器人都屬于自動導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automatic Guided Vehicle，AGV）的范疇。

AGV是一種由電池提供動力，根據(jù)電磁或光學(xué)等導(dǎo)引裝置自動判斷行駛路徑，具有安全保護(hù)及各種運(yùn)載功能的運(yùn)輸車輛。由于其具備可定位、運(yùn)動靈活、工作效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航天、航空、高鐵、汽車、港口、醫(yī)藥、服務(wù)業(yè)等各個領(lǐng)域，成為柔性生產(chǎn)線、智能化工廠、倉儲物流自動化系統(tǒng)的重要組成。

第一輛AGV 誕生于1953年，由一輛牽引式拖拉機(jī)改造而成。它帶有車兜，負(fù)責(zé)在一間雜貨倉庫中沿空中布置的導(dǎo)線運(yùn)輸貨物。1973年，沃爾沃汽車位于瑞典卡爾馬市的裝配廠，用計(jì)算機(jī)控制的裝配型AGV 替代了傳統(tǒng)的傳送帶式的裝配線。20 世紀(jì)70年代中期，首輛負(fù)載AGV 研發(fā)成功并投入使用。由于負(fù)載AGV 能夠?yàn)槲锪咸幚眍I(lǐng)域提供多功能的服務(wù)，被廣泛應(yīng)用于各種工、商業(yè)領(lǐng)域，使得AGV 產(chǎn)業(yè)得到了一次較大程度的發(fā)展。20 世紀(jì)80年代，激光和慣導(dǎo)的無線導(dǎo)引技術(shù)引入了AGV 領(lǐng)域，大大提高了AGV 系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性。目前，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，用于智能物流行業(yè)的AGV產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。AGV 單機(jī)系統(tǒng)功能強(qiáng)化、多AGV 系統(tǒng)的物流調(diào)度、復(fù)雜任務(wù)的多AGV 系統(tǒng)協(xié)作技術(shù)成為了新的研究方向。

圖1 AGV的典型應(yīng)用Fig.1 Typical applications of AGV

2 國內(nèi)外AGV的發(fā)展現(xiàn)狀

AGV 技術(shù)經(jīng)過60 多年的發(fā)展，目前技術(shù)方向主要分為兩大類。

一類是以歐美為代表的全自動AGV技術(shù)，這類技術(shù)追求AGV 產(chǎn)品的高效自動化，幾乎完全不需要人工的干預(yù)。其路徑規(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)場合。這些AGV 功能完善，技術(shù)先進(jìn)。為了能夠采用模塊化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，提高批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，歐美的AGV 放棄了對外觀造型的追求，采用大部件組裝的形式進(jìn)行生產(chǎn)。相應(yīng)系列產(chǎn)品覆蓋面廣，功能齊全，系列產(chǎn)品的載重量可從50kg 到60000kg 不等。國外知名的AGV廠商有KUKA、Egemin、Atab、Axter、Omniroll等。

第二類是以日本為代表的簡易型AGV（AGC）技術(shù)。該種技術(shù)著力于簡單的應(yīng)用，讓用戶在最短的時間內(nèi)收回投資成本。該類產(chǎn)品只用于簡單的生產(chǎn)場合，進(jìn)行簡單的重復(fù)性搬運(yùn)工作，導(dǎo)引采用簡易的電磁導(dǎo)引方式。通過簡化功能，大大降低了AGC的制造成本，從而使其獲得大范圍的應(yīng)用。

國外AGV 領(lǐng)域研究開始較早，但研究進(jìn)展緩慢，主要集中于倉儲物流及自動化領(lǐng)域。網(wǎng)上購物商城巨頭亞馬遜公司，作為最早使用AGV 的電商企業(yè)之一，其研發(fā)的物流機(jī)器人kiva 已經(jīng)大量應(yīng)用于其商品倉庫；國際知名物流巨頭DHL 公司，也已經(jīng)在全球范圍內(nèi)部署了各類型的AGV 機(jī)器人；在電動汽車領(lǐng)域，大眾汽車集團(tuán)為了解決充電設(shè)施短缺日益嚴(yán)重的問題研發(fā)了一款可移動的充電AGV。在停車場內(nèi)，該AGV 能夠自動導(dǎo)航至需要充電的車輛附近，與車輛進(jìn)行身份確認(rèn)后，充電槍自動連接車輛，為車輛充電。該AGV 能夠有效緩解停車場充電設(shè)施的不足給電動汽車出行帶來的不便，目前該AGV還在研發(fā)中。

我國AGV 技術(shù)起步較晚。20 世紀(jì)70年代后期，北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所研制了第一臺三輪式AGV。80年代后期，北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所為二汽研制了應(yīng)用在立體化倉庫中的AGV。90年代，清華大學(xué)國家CIMS 工程中心成功將國外引進(jìn)的AGV 應(yīng)用于CIMS 試驗(yàn)。后經(jīng)引進(jìn)和試驗(yàn)研發(fā)，1992年我國第一次將國產(chǎn)AGV 應(yīng)用在柔性生產(chǎn)線上。目前，國內(nèi)具備自主研發(fā)AGV 的企業(yè)有北京特種機(jī)械研究所、沈陽新松、云南昆船、松科等企業(yè)。根據(jù)中國移動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、新戰(zhàn)略機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究所數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年度，中國移動機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到61.75 億元，較之于2018年增長幅度為45.2%［2］。由此可見，國內(nèi)AGV 產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展十分迅速。

圖2 國外部分AGV產(chǎn)品圖Fig.2 Foreign AGV products

目前，國內(nèi)5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)發(fā)展迅速，這些技術(shù)與AGV 技術(shù)相結(jié)合，使AGV 產(chǎn)品性能進(jìn)一步提升。曠世科技作為國內(nèi)人工智能領(lǐng)域行業(yè)的佼佼者，2018年全資收購了艾瑞思機(jī)器人，主要研發(fā)用于物流倉儲、智能工廠等行業(yè)的AGV 機(jī)器人。得益于曠世科技公司強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)及智能調(diào)度算法，艾瑞思的物流AGV 生產(chǎn)效率和人工協(xié)作效率進(jìn)一步提高。此外，新電商零售的思路與AGV 技術(shù)相結(jié)合，也催生出了一系列AGV 應(yīng)用的新領(lǐng)域。目前京東、美團(tuán)、阿里等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)研發(fā)的AGV 在新零售、無人配送領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

設(shè)計(jì)師可以使用各種設(shè)計(jì)手法、自然采光等來實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，在建筑原有空間的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間改造最大限度的減少設(shè)計(jì)方案造成的通風(fēng)不足和自然光的減少。使其盡可能保持其原有的優(yōu)勢。同時，太陽能和風(fēng)能是取之不盡，用之不竭的可再生能源，而且無污染在很大程度上將對室內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。因此，在室內(nèi)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該嘗試在設(shè)計(jì)中加入這些元素，以減少能耗。

圖3 國內(nèi)部分AGV產(chǎn)品圖Fig.3 National AGV products

3 AGV系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 輪組驅(qū)動技術(shù)

輪組作為AGV的唯一移動機(jī)構(gòu)，其重要性不言而喻。目前AGV 的輪組形式主要有：麥克納姆輪、差速輪、舵輪、普通輪等。根據(jù)不同輪組的運(yùn)動形式，其驅(qū)動形式也不盡相同。大多數(shù)廠商采用電機(jī)+減速機(jī)作為輪組的驅(qū)動部件。目前大多AGV采用定制形式，結(jié)構(gòu)尺寸受限。因此，開發(fā)小體積、大扭矩、集成度高的驅(qū)動部件將有利于AGV 體積小型化。此外，大多數(shù)AGV 為多輪組驅(qū)動，驅(qū)動部件的多軸協(xié)同控制、運(yùn)動異常處理等也是影響AGV輪組運(yùn)動性能的關(guān)鍵因素。

圖4 不同的輪組形式Fig.4 Different wheels styles

3.2 定位導(dǎo)航技術(shù)

曾經(jīng)，國外專家對AGV系統(tǒng)工作的核心做出了恰當(dāng)?shù)谋扔?，即：在哪里，要去哪，如何去。這三個問題對應(yīng)了AGV 系統(tǒng)的三個關(guān)鍵技術(shù)：自動導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制。AGV 的導(dǎo)航技術(shù)根據(jù)選擇傳感器的不同，可以分為：電磁、激光、視覺、慣導(dǎo)、GPS等不同形式。

電磁導(dǎo)航是最早應(yīng)用于AGV 的導(dǎo)航方式。該方式原理簡單，技術(shù)成熟，直到目前仍然有很多AGV 生產(chǎn)廠家采用這種導(dǎo)航方式。電磁導(dǎo)航通過在AGV 行駛路徑上埋設(shè)金屬線，利用其電磁特性來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。其原理簡單，制造成本低，可靠性高，控制方便。主要缺點(diǎn)在于AGV 路徑改變相對困難，地面施工成本高，大大降低了系統(tǒng)的柔性。

圖5 電磁導(dǎo)航Fig.5 Electromagnetic navigation

激光導(dǎo)航主要分為兩種形式。一種是在AGV行駛路徑周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器時發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，確定當(dāng)前AGV的位置和航向。另一種是基于同步定位于地圖創(chuàng)建技術(shù)的無反射板的激光導(dǎo)航。激光導(dǎo)航定位精確，行駛路徑靈活多變，地面無需其他定位設(shè)備，已經(jīng)成為目前多數(shù)AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的導(dǎo)航方案。但是，其制造成本高，對工作環(huán)境要求相對苛刻，周圍環(huán)境干擾較大也成為制約其大規(guī)模使用的因素。

圖6 激光導(dǎo)航Fig.6 Laser navigation

視覺導(dǎo)航方式根據(jù)建立的環(huán)境模型又可以分為2D 視覺導(dǎo)航和3D 視覺導(dǎo)航。2D 視覺導(dǎo)航是在AGV行駛路徑上鋪設(shè)區(qū)別于地面顏色、灰度的色帶或者二維碼，AGV 通過視覺傳感器采集圖像信息，利用圖像處理技術(shù)識別色帶進(jìn)行導(dǎo)航。該導(dǎo)航方式靈活性好，路徑更改容易，色帶鋪設(shè)簡單，但對光照及地面清潔度要求較高。3D 視覺導(dǎo)航是通過立體視覺技術(shù)建立環(huán)境的3D 地圖，通過路徑學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。該項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜性較高，開發(fā)難度大，定位精度低，目前使用較少。

圖7 2D視覺導(dǎo)航Fig.7 2D Visual navigation

慣性導(dǎo)航是在AGV上安裝陀螺儀，在其行駛的路徑上安裝定位塊，AGV通過對陀螺儀偏差信號的計(jì)算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和方向。慣性導(dǎo)航AGV 通過與已知的地圖路線進(jìn)行比較來控制AGV 的運(yùn)動方向，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航方式定位準(zhǔn)確，靈活性強(qiáng)，組合和兼容性好，使用領(lǐng)域廣。缺點(diǎn)是陀螺儀對震動較為敏感，地面條件對AGV 運(yùn)行的可靠性影響較大，后期維護(hù)成本高，且需要矯正定位。

圖8 慣性導(dǎo)航Fig.8 Inertial navigation

表1 AGV不同導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)Table 1 Characteristics of different AGV navigations

AGV 的導(dǎo)航控制，是根據(jù)當(dāng)前AGV 導(dǎo)航所得到的位置信息，按照路徑規(guī)劃中規(guī)定的目標(biāo)位置來控制AGV 的速度和航向角。在復(fù)雜的環(huán)境因素中如何達(dá)到對AGV 的精確控制，是AGV 導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵。在實(shí)際的控制環(huán)節(jié)中，往往采用“追蹤導(dǎo)引法”，即在AGV 行駛路徑的前方設(shè)置一個虛擬目標(biāo)點(diǎn)，這個點(diǎn)始終在AGV 當(dāng)前位置前方的不遠(yuǎn)處。將該點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)能夠滿足對AGV 行駛的控制要求但又不會丟失路徑信息。通過周期性調(diào)節(jié)，逐漸消除AGV 與目標(biāo)點(diǎn)的位置誤差，從而達(dá)到精確控制的目的。

3.3 軌跡規(guī)劃技術(shù)

AGV 系統(tǒng)的路徑規(guī)劃的應(yīng)用場景主要包括靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)環(huán)境兩類。靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃，主要研究在環(huán)境信息相對確定的環(huán)境中，AGV如何行駛來避讓環(huán)境中的靜態(tài)障礙物。靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃的衡量指標(biāo)主要是軌跡的連續(xù)性和平滑性。規(guī)劃的路徑越平滑，AGV控制越容易實(shí)現(xiàn)。目前絕大多數(shù)的AGV 的路徑規(guī)劃是靜態(tài)規(guī)劃。動態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃是指在具有諸多不確定環(huán)境因素的情況下的路徑規(guī)劃。不確定的環(huán)境因素主要來源有廠房內(nèi)移動的工人、執(zhí)行其他運(yùn)輸任務(wù)的AGV或車輛等，動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃需要綜合考慮安全性和時間性。AGV 能夠?qū)Ξ?dāng)前行駛路徑上的危險因素進(jìn)行分析，及時停止或修改運(yùn)動路線。在保證安全的同時，確保能夠按時完成指定的運(yùn)送任務(wù)。應(yīng)用路徑動態(tài)規(guī)劃的典型AGV 就是家庭掃地機(jī)器人。

3.4 調(diào)度技術(shù)

調(diào)度系統(tǒng)是上位機(jī)控制系統(tǒng)中用于AGV 車輛管理、任務(wù)調(diào)度及交通情況管理的控制軟件。目前在物流系統(tǒng)或自動化生產(chǎn)線上，往往同時有十幾臺甚至數(shù)十臺AGV 同時運(yùn)行，調(diào)度系統(tǒng)的復(fù)雜度隨著AGV 數(shù)量的增加呈指數(shù)型增長。因此，調(diào)度系統(tǒng)必須能夠掌握海量的生產(chǎn)信息，并且根據(jù)生產(chǎn)情況高效、靈活、準(zhǔn)確地為每臺AGV 分配任務(wù)。同時，調(diào)度系統(tǒng)還要具有極高的容錯能力。如果生產(chǎn)線的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，調(diào)度系統(tǒng)能夠及時修改當(dāng)前的方案，重新為AGV 的生產(chǎn)任務(wù)尋找最優(yōu)解。目前隨著人工智能及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，調(diào)度系統(tǒng)的功能日益強(qiáng)大。但在數(shù)量更多的AGV 的使用場景下，調(diào)度技術(shù)仍需要進(jìn)一步發(fā)展。

4 AGV的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，我國正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期。為了實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國向強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，提升我國產(chǎn)業(yè)核心競爭力，必須大力培育和發(fā)展高端裝備制造業(yè)。隨著工業(yè)化和信息化的深度融合，生產(chǎn)制造過程中自動化和智能化的水平越來越高，整個生產(chǎn)過程必然離不開智能化物流設(shè)備。AGV 主要有以下幾個發(fā)展趨勢：

（1）性能不斷提升。主要體現(xiàn)在高速度、高精度、高可靠性、方便操作及維修方面。成本進(jìn)一步降低，促進(jìn)AGV的大范圍使用。

（2）環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。目前AGV 的使用往往只局限于一種場景下，絕大多數(shù)是室內(nèi)環(huán)境。隨著相關(guān)傳感器技術(shù)和防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，單臺AGV能夠在室內(nèi)、室外環(huán)境使用，也能夠在白天、黑夜環(huán)境下使用，還能夠在雨天、雪天等惡劣環(huán)境下使用。AGV逐漸發(fā)展成為一種全天候的設(shè)備。

（3）智能化水平越來越高。隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV 能夠?qū)ΜF(xiàn)場環(huán)境、突發(fā)情況等智能感知，并做出正確判斷。AGV 作為終端設(shè)備，已具備一定的智能化水平，而不是簡單的聽從調(diào)度系統(tǒng)的指揮。

（4）與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合。目前工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用時，往往固定在某一位置完成工作。而AGV 目前的應(yīng)用大多是負(fù)責(zé)貨物的搬運(yùn)。將兩者結(jié)合，就相當(dāng)于機(jī)器人既有了腳又有了手。機(jī)器人既能夠在空間內(nèi)通過工業(yè)機(jī)器人來完成終端操作，又能夠通過AGV 的移動來靈活地變換工位。除此以外，AGV和工業(yè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動可以完成更為復(fù)雜的運(yùn)動，大大提高了AGV的適應(yīng)性和功能性。

在我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中，工業(yè)自動化的需求多種多樣。未來企業(yè)對AGV 的需求也不僅僅局限于簡單的搬運(yùn)或替代人力，而是服務(wù)于整個工藝裝備系統(tǒng)，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，AGV 技術(shù)在未來的工業(yè)系統(tǒng)中定會占據(jù)更為重要的地位。

5 結(jié)束語

AGV做為物流技術(shù)領(lǐng)域重要的自動化設(shè)備，具備智能、靈活、柔性、高效率、可取代人工、作業(yè)安全等特點(diǎn)。目前，AGV 產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。不過，AGV 技術(shù)在不斷發(fā)展的同時，也面臨著成本高、同質(zhì)化嚴(yán)重、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等一系列問題。

隨著國內(nèi)上游元器件廠商相關(guān)產(chǎn)品的性能不斷提升，傳感器技術(shù)和導(dǎo)航、調(diào)度技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV產(chǎn)品的性能會越來越高，AGV的制造成本會進(jìn)一步下降，有利于AGV 的大范圍應(yīng)用。此外，AGV產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)即將頒布，這將有利于AGV產(chǎn)品質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步規(guī)范。伴隨著智能制造改革的不斷深入，AGV 技術(shù)將迎來高速發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)行業(yè)發(fā)展和變革。