AGV（Automated Guided Vehicle）是一種自動化、無人駕駛的智能化搬運設(shè)備。隨著信息技術(shù)及智能控制的發(fā)展，煙草、電商、汽車制造、制藥等越來越多的行業(yè)開始在物流運作中引入AGV，并以此代替人工，從而有效解決作業(yè)效率的問題。在重載AGV方面，2015年以來，室內(nèi)泊車AGV、碼頭集裝箱AGV、機場AGV等也都陸續(xù)出現(xiàn)商業(yè)化運用的案例。

對于乘用車制造企業(yè)而言，每天都有大量的商品車搬運作業(yè)，對AGV也有著更為緊迫的需求，但受技術(shù)限制和AGV產(chǎn)品成本的影響，目前仍未出現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用的案例。本文將以南方某車企為背景，主要探討車企商品車停車場關(guān)于AGV的技術(shù)需求和實現(xiàn)路徑。

一、停車場AGV應(yīng)用的必要性分析

1.停車場運作模式介紹（圖1）

國內(nèi)車企的商品車停車場一般都是平面停車場，本文所述案例的停車場規(guī)劃庫位為2800臺，每3～4臺為一列橫向并排停放，每日對應(yīng)工廠下線商品車為2000臺左右，日均工作時間約16～20小時。

商品車的搬運分為兩個階段：一是下線入庫搬運，作業(yè)人員將商品車由總裝車間搬運至停車場庫區(qū)，并隨小巴返回至總裝車間，6～8人/組，往返循環(huán)；二是出庫搬運，將商品車由停車場庫區(qū)搬運至拖車裝車點，6～8人/組，往返循環(huán)。

為了保障停車場的運作，車場從事搬運的作業(yè)人員為70人。

2.人工搬運面臨的新問題

當前，停車場采用人工搬運主要面臨兩個方面的問題：一是隨著人工費用逐年上升，場內(nèi)運作成本越來越高。通過對案例車場的統(tǒng)計，人工支出約占車場運作成本的80%，與2010年對比，10年間車場的運作成本上升了120%；二是采用固定搬運人員的方法無法滿足日漸彈性的業(yè)務(wù)需求，比如以下情況：①銷售市場的變化以及品質(zhì)異常帶來的作業(yè)量波動；②南方的暴雨和夏天的高溫，都會造成搬運效率下降；③多式聯(lián)運模式的發(fā)展，需要車場能夠?qū)?yīng)每周7天的發(fā)車。

如果能夠在商品車停車場導入AGV，則能夠有效解決上述問題。

二、目前泊車AGV發(fā)展的介紹

1.導航模式

圖1 車企商品車停車場運作模式

圖3 臺板型AGV

圖4 星航機電潛入牽引式夾輪型AGV

從導航方式上看，目前泊車AGV常用的主要有磁釘導航、激光SLAM導航、慣性導航和差分GPS導航等。

（1）磁釘導航

磁釘導航是利用在地面布置磁釘實現(xiàn)導航的方法。這種導航方式的定位精度與磁釘?shù)拿芏戎苯酉嚓P(guān)，精度要求越高，磁釘就會布置得越密集。

（2）激光SLAM導航

SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）即同步定位及建圖，這種導航是指讓AGV在運動過程中根據(jù)自身攜帶的傳感器和對周圍環(huán)境的感知進行自身定位，同時構(gòu)建環(huán)境地圖。激光SLAM導航不需要預先鋪設(shè)任何軌跡，方便導航路線的更改，并實現(xiàn)實時避障。此技術(shù)最大的優(yōu)點是AGV定位精確，行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，缺點是制造成本高，對環(huán)境要求相對苛刻（如外界光線、中間無遮擋、能見度等要求）。

（3）慣性導航

INS（Internal Navigation System）即慣性導航系統(tǒng)，是一種自主式導航系統(tǒng)，多用于航空航天。它是利用慣性元件（加速度計和陀螺儀）來測量運載體本身的加速度，經(jīng)過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導航定位的目的。慣性導航可不按固定路線行駛，適用于任何氣候條件，且數(shù)據(jù)更新頻度高、短期精度和穩(wěn)定性好；缺點是產(chǎn)品成本很高，AGV引導的精度和可靠性，與陀螺儀的制造精度相關(guān)，定位誤差隨時間而增大，長期精度差。

（4）差分GPS導航

GPS（Global Position System）導航是目前非常通用的導航方式，由于GPS 數(shù)據(jù)可靠性不高，在AGV行走過程中，可能發(fā)生GPS數(shù)據(jù)丟失，導致車輛自身失去方向，故可采用與其他方式組合輔助完成導航進程，比如實時動態(tài)差分技術(shù)（Real-time kinematic，RTK）。RTK GPS是由一個GPS 基站和移動站的數(shù)據(jù)差分完成的，定位精度高達厘米級，因而在無人車的導航中已獲得廣泛應(yīng)用。

2.車輛的交換模式

從AGV與商品車接觸的方式上，目前有“梳齒型”、“臺板型”、“夾輪型”等三種形式。

（1）梳齒型

所謂“梳齒”，就是擁有多個齒隙的類似金屬梳子的裝置。梳齒型AGV（圖2）的工作方式為：內(nèi)梳齒固定，外梳齒設(shè)置在AGV上，搬運器利用梳齒間隙，通過AGV上下升降移動實現(xiàn)梳齒的交叉換位，從而實現(xiàn)車輛的搬運交接。每個車位都設(shè)有固定的梳型架，出入口停車平臺也需設(shè)置停車梳型架。

（2）臺板型

臺板型（圖3）是立體車庫中應(yīng)用較為廣泛的一種轎車搬運方式。該AGV工作方式為：汽車停放在臺板上，AGV鉆入臺板底下舉升臺板，然后把轎車和臺板一同運載到指定位置上。此種類型的AGV需要每個停車位上配置臺板，并且因為需要存取空臺板，搬運效率相對較低。

（3）夾輪型

夾輪型AGV是通過夾持機構(gòu)抬起轎車輪胎實現(xiàn)搬運。夾輪型從夾持機構(gòu)與轎車的位置關(guān)系也分為三種：一種是潛入牽引式（圖4），即AGV夾輪機構(gòu)潛入車底打開機械手，固定車輪后抬升，由牽引車頭驅(qū)動實施搬運；第二種是環(huán)抱式（圖5），即AGV呈U型框架結(jié)構(gòu)，運作時，轎車被AGV框架包圍，夾持機構(gòu)設(shè)置在AGV車體框架中；第三種是滾筒式（圖6），即通過滾筒的作用，將商品車移動到機構(gòu)中，夾輪胎固定后實施搬運。

圖5 杜塞爾多夫機場使用的 RAY夾輪型AGV

圖6 深圳怡豐滾筒式夾輪型AGV示意圖

三、商品車停車場AGV的技術(shù)需求

車企商品車停車場與室內(nèi)泊車有著相同的搬運對象，對載重、定位精度、避障能力、安全保護等基本需求是一致的，但因為商品車停車場的運作環(huán)境更為復雜，搬運頻度也更高，因此有以下更加苛刻的使用要求：

需求①：車場改造少

提出車場改造少的原因主要是基于三個方面的考慮：一是較少的成本投入；二是在AGV車輛和系統(tǒng)發(fā)生異常時，為了不影響工廠生產(chǎn)下線，能迅速切換到人工對應(yīng)模式；三是便于今后布局規(guī)劃的調(diào)整。

需求②：使用環(huán)境要求高

商品車停車場多為露天環(huán)境，需要在任何天氣情況下都能運作，包括臺風、暴雨、霧霾、高溫、高濕等極端環(huán)境。

需求③：通過性好

本案例車場的庫位為5.3m×2.6m；通道寬度7m，車場有一定的沉降，最大坡度5°；要求AGV能夠在載有商品車的情況下正常通過，因此AGV轉(zhuǎn)彎半徑要盡可能小，最好能實現(xiàn)全向運動。所謂全向運動，是指可實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎、平移、橫移、原地掉頭、任意方向斜行等多種運動方式。

需求④：高強度作業(yè)

要求AGV能對應(yīng)生產(chǎn)線的稼動，單臺連續(xù)作業(yè)至少8～10個小時，所以要求電池的持續(xù)使用時間在10個小時以上。

需求⑤：控制系統(tǒng)要求高

控制系統(tǒng)負責任務(wù)調(diào)度、車輛管理和交通管理。車場面積大，投入的AGV很多，當系統(tǒng)中多個AGV 同時工作時，調(diào)度問題就變得非常復雜，而且對應(yīng)車場4臺/列的停放，經(jīng)常會有從中間拔取1臺商品車的作業(yè)需求，這就要求多機聯(lián)合作業(yè)，良好的控制系統(tǒng)可使各臺AGV之間緊密協(xié)作，大大提升系統(tǒng)效率，減少運行成本。

需求⑥：行駛速度高

導入AGV，企業(yè)要看到經(jīng)濟效益。因此，導入AGV的產(chǎn)品成本和使用成本要低于目前使用人工搬運的模式。拋開導入AGV后的使用成本，目前僅AGV的產(chǎn)品投資其實已非常昂貴（參考寧波新松機器人科技有限公司的資料，一臺10t負載的AGV生產(chǎn)成本在50～70 萬元之間）。在單臺AGV成本一定的情況下，運行速度越高，則投入的AGV數(shù)量就越少。以怡豐自主研發(fā)的滾筒式停車AGV為例，其最大速度可達1.7m/s，雖然這一速度在泊車AGV里已經(jīng)很高，但試想如果能達到現(xiàn)有人工搬運的速度，即4.2m/s左右，就可以減少60%的機器投入。

四、車企商品車停車場AGV的可行性探討

對應(yīng)前文所述的使用要求，下面分析一下商品車停車場AGV的可行技術(shù)路徑。

1.導航技術(shù)角度

上文介紹過，適合室外應(yīng)用的導航方式有磁釘導航、激光SLAM導航、慣性導航和差分GPS導航。為避免商品車損傷，無論采用“梳齒型”、“臺板型”、“夾輪型”中的任何一種，均需要實現(xiàn)厘米級定位精度?？紤]到投入成本，以及車場布局的變化需求，首先排除磁釘導航的模式。

激光SLAM導航和慣性導航都能滿足靈活多變的條件，但它們也有各自缺陷，激光SLAM導航無法滿足室外極端氣候環(huán)境的要求；慣性導航不受氣候條件限制，但使用較長時間后會產(chǎn)生精度問題。GPS導航在室外導航中，由于建筑物的遮擋會導致數(shù)據(jù)失效，在短時間內(nèi)，可以采用慣性導航系統(tǒng)進行補充，但是由于慣性導航隨著時間增加輸出誤差較大，在遮擋物面積較大時，不適合使用慣性導航系統(tǒng)進行輔助導航。對于這種情況，選用里程計作為導航的主要輔助設(shè)備，在GPS丟失時，系統(tǒng)導航自動切換到里程計數(shù)據(jù)上。里程計是借助于車輪的轉(zhuǎn)動直接測量載體在地面行駛的路程，因此里程計適合于高精度的組合導航應(yīng)用。

表1 從技術(shù)需求滿足角度評價各類型AGV

單一的導航方式都可能存在風險，為了提高冗余度，AGV導航最好的方案是采用“激光SLAM+差分GPS+慣導+里程計”等多傳感器融合的導航方式，即以車輪速度和轉(zhuǎn)角推算車體里程信息為導航主要方式，差分GPS+慣導坐標數(shù)據(jù)或激光SLAM數(shù)據(jù)實時校準，實現(xiàn)AGV高精度高可靠性航位推算，實現(xiàn)全天候全工況下的厘米級定位需求。

2.車輛交換模式

從車輛交換模式角度分析，因為各類型AGV的具體參數(shù)很多是可調(diào)整的，我們僅從技術(shù)需求絕對無法滿足的角度來進行淘汰分析。具體見表1。

首先，梳齒型AGV和臺板型AGV都屬于有介質(zhì)停車，即搬運、存儲汽車，都需要在除AGV車體外的其他輔助介質(zhì)幫助下完成，這無法滿足“需求①”即車場改造少的前提。而且臺板型AGV抬升高度有限，無法對應(yīng)較大的坡度，通過性受到影響。因此，梳齒型AGV和臺板型AGV都不是車企停車場AGV的技術(shù)方向。

接下來看夾輪型的三款AGV：（1）潛入牽引式AGV結(jié)構(gòu)簡單，能適用于復雜的工作環(huán)境，但因為它是由牽引車頭驅(qū)動，無法實現(xiàn)全向運動，導致轉(zhuǎn)彎半徑過大（8m以上），無法滿足通過性的要求。（2）滾筒式AGV導入了獨立的滾筒機構(gòu)，這可以減少對夾臂的承重要求，但是滾筒機構(gòu)的高度僅有110mm，通過性方面會受到影響，而且在車場遇到暴雨有積水的情況下，滾筒機構(gòu)的電機和傳感器的工作都可能會受到影響。（3）環(huán)抱式AGV能滿足上述所有技術(shù)需求，成為可行的技術(shù)路徑。

環(huán)抱式AGV盡管在技術(shù)上能滿足需求，但也有自身的缺點。環(huán)抱式AGV把電池和夾輪機構(gòu)都放置在環(huán)抱的車體中，所以它的外觀尺寸會比其他AGV大。從環(huán)抱AGV的U型框架進入的方向上（相對于商品車）進行區(qū)分，有側(cè)向環(huán)抱和正向環(huán)抱兩種方式。

前文圖5中的杜塞爾多夫機場使用的RAY夾輪AGV，是采用側(cè)向進入的方案。這種方案會帶來兩個問題：一是使用這種AGV，車場必須采用商品車車頭與通道方向平行的布局，在發(fā)生異常轉(zhuǎn)為人工作業(yè)時，無法進行中間位停放和拔取作業(yè)；二是車場利用率降低。一般在庫位設(shè)計時，需要為打開車門設(shè)置一定的空間，所以橫向會保留較多距離。以本案例的車場為例，車位尺寸是5.3m×2.6m，假如最大的對象商品車尺寸為5m×2m，正常停放時，前車尾與后車頭的距離是300mm，左右并排車門之間的距離為600mm。如果是側(cè)向進入，則AGV兩側(cè)車體框架的寬度必須要小于前車頭與后車尾之間的距離，考慮到安全性，起碼要控制在15mm以下，這樣的寬度顯然是無法容納舵輪機構(gòu)的。為此，如果要引入側(cè)向AGV，則需要對車場布局進行改動，增加前后車之間的距離，這必然會降低車場的利用率。因此，只有正向進入的模式才是最可行的方向。

五、結(jié)束語

綜上所述，面向車企商品車停車場的使用需求，在進行較少車場改造的前提下，泊車AGV要能面對復雜的氣候環(huán)境、具有較好的通過性、較長的使用時間，可進行多機協(xié)同作業(yè)，并以較快速度行駛，因此采用“激光SLAM+差分GPS+慣導+里程計”多傳感器融合導航方式的正向環(huán)抱式夾輪型AGV成為可行的技術(shù)路徑。當然，考慮到經(jīng)濟效益，需要解決單品AGV成本和控制系統(tǒng)開發(fā)成本較高的問題。隨著AI技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，這個課題應(yīng)該很快會得到解決，相信不久的將來，越來越多的車企商品車停車場、區(qū)域中轉(zhuǎn)庫、滾裝船碼頭等都將會看到室外泊車AGV的應(yīng)用。