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AGV关键技术现状及发展趋势

2015/12/4 13:54:21来源:物流技术与应用作者:机科发展科技股份有限公司智能输送与包装机械事业部副总经理 金亚萍

[导读]  根据美国物料搬运协会(America Material Handling Association)的定义,AGV是一种以充电电池为动力,自动导引的无人驾驶自动化车辆,它能在计算机的监控下,按路径规划和作业要求,精确行走并停靠到指定地点,完成取货、送货、充电等一系列作业任务。

  根据美国物料搬运协会(America Material Handling Association)的定义,AGV是一种以充电电池为动力,自动导引的无人驾驶自动化车辆,它能在计算机的监控下,按路径规划和作业要求,精确行走并停靠到指定地点,完成取货、送货、充电等一系列作业任务。

  AGV技术国内外发展概述

  福特汽车公司于1913年将最早的自动搬运车应用到汽车底盘装配上,体现了无人搬运车的优越性。但当时是有轨道导引的(现在称为RGV)。到了上世纪50年代中期,英国人首先去掉了地面上的导引轨道,采用地板下埋线的方式,组成以电磁感应导引的AGVS,1959年AGV应用到仓储自动化领域和企业生产作业中。

  上世纪60年代,计算机技术开始应用于AGV系统的管理和控制系统中,AGV系统从自动化仓储进入到柔性加工生产系统(FMS)中,从而使AGV得到了迅速的发展。虽然AGV首先出现在美国,却在欧洲迅速得到发展和推广应用,并成为制造和装配作业过程中一种流行的物料搬运设备。

  在我国,北京起重运输机械研究所(现为“北京起重运输机械研究院”)于1976年研制出第一台ADB型AGV。邮电部北京邮政科学研究所为上海新火车站邮政枢纽、济南军区仓库研究试制的WZC及WZC-1两种AGV,1991年投入了运行。中科院沈阳自动化所在国家“863”计划支持下,完成了多项移动机器人应用基础研究和应用技术开发项目,并开发出应用于实践较为成熟的AGV(电磁导引)及其系统技术。

  AGV关键技术现状

  AGV系统主要包括:AGV管理监控调度系统、AGV车载控制系统、AGV自主定位及导引系统、AGV运动控制驱动系统、AGV能源系统、AGV无线通讯系统等,下面分别介绍各子系统相关技术的国内外发展现状。

  1. AGV管理监控系统

  AGV管理监控调度系统的主要功能是管理、监控和调度AGV执行搬运作业任务。AGV管理监控计算机一方面与上一级的信息管理系统(SAP/ERP/WMS/MES等)主机进行通讯,产生、发送以及回馈搬运作业任务,另一方面通过无线网络系统与AGV进行通讯,按照一定规则发送物料的搬运任务,并进行智能化交通管理、自动调度相应的AGV完成搬运物料任务,同时接受AGV反馈的状态信息,监控系统的任务执行情况,并向上一级信息管理系统主机报告任务的执行情况。

  AGV管理监控系统是一个复杂的软、硬件系统,目前国内外中高端的AGV系统均有AGV管理监控系统。硬件由服务器、管理监控计算机、网络通讯系统以及相关接口等组成;软件由相关的数据库管理系统、管理监控调度软件等组成。

  AGV管理监控调度软件是AGV系统重要核心技术之一。系统软件的成熟程度以及国外软件技术不开放共同制约了国内AGV的发展与推广。近年来,管理监控调度软件的研发工作得到了重视,国内AGV生产厂家纷纷建立自己的AGV管理监控调度软件系统研发平台,研制出自己的AGV管理监控调度软件产品。

  2.AGV车载控制器

  AGV车载控制器是AGV控制系统的核心,负责完成人机交互、路径规划、任务执行、定位与导航控制、电源管理、自主避障、安全信息提示,以及与AGV管理监控计算机进行通讯,反馈AGV的当前状态,并接受AGV管理监控系统的调度和工作指令等任务。AGV车载控制器的性能和可靠性直接影响AGV产品的性能和可靠性。

  早期的AGV车载控制器硬件通常采用工控机或通用PLC作为主控单元,通过比较复杂的控制软件和多种A/D、D/A接口完成人机交互、路径设定、任务调度、定位与导航控制、运动控制、电源管理、自主避障、安全信息提示、并与管理监控计算机进行通讯、反馈AGV的当前状态、接受调度和工作指令等任务。

  近年来,随着计算机技术的飞速发展,嵌入式计算机的软硬件水平都得到很大提高,已经可以满足AGV产品的各种需要。此外,与工控机相比,嵌入式计算机系统具有结构紧凑、成本低、功耗小等明显优势,而这些对于必须使用自身携带电源的AGV产品尤其重要。因此,AGV车载控制器硬件采用嵌入式计算机系统将是未来的技术发展趋势。

  3. 自主定位及导航系统

  AGV可以按照自主程度、用途和结构形式、导航方式等进行分类。虽然AGV导航方式的种类很多,但目前得到应用或具有应用前景的AGV导引方式主要包括以下几种类型。

  (1)电磁感应导引

  该导引方式的基本工作原理为:在AGV的行驶路径上埋设金属导线,并加载低频、低压电流,使导线周围产生磁场,AGV上的感应线圈通过对导航磁场强弱的识别和跟踪,实现AGV的导引。目前,电磁感应导引技术比较成熟,应用也较为广泛。

  该导航方式的主要优点为引线隐蔽,不易污染和破损,导航原理简单而可靠,无声光干扰,制造成本较低;而主要缺点则为路径更改的灵活性差,调整变动麻烦,感应线圈对周围的铁磁物质较敏感,对于一些路线比较简单,且需要24小时连续作业的工况(比如发动机等装配生产线),配合非接触供电系统的应用目前在国外较为常见。

  (2)磁带、磁点导引

  该导引方式的基本工作原理为:在AGV的行驶路径上贴磁带或打磁点,通过磁感应信号实现导引。目前,磁带、磁点导引技术成熟,应用也较为广泛。

  该引导方式的主要优点为改变或扩充路径较容易,磁带、磁点的安装简单;而主要缺点则为易受AGV行走路径周围的金属物质的干扰。此外,由于磁带外露,容易受到机械损伤和污染,导航的稳定性受环境影响较大,因此近年来此类AGV较多采用磁点导引方式。

  (3)光学导引

  该导引方式的基本工作原理为:在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带,通过对光学传感器采入的色带图像信号进行识别实现导引。此外,用CCD摄像机和图像处理系统替代普通的光学传感器可以有效提高导引系统的可靠性。目前,光学导引技术成熟,应用也较为广泛。

  该导引方式与磁带导引方式比较类似,其主要优点为灵活性比较好,地面路线设置十分简单;而主要缺点则为易受色带污染和磨损的影响,对环境要求较高,导引可靠性受制于地面条件,停位精度比较低。

  (4)激光导引

  该导引方式的基本工作原理为:在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板,安装在AGV上的激光定位装置发射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回来的信号,根据三角几何运算来确定其当前的位置和方向,实现AGV的导引。目前,激光导引技术比较成熟,应用也较为广泛。

  该导引方式的主要优点为定位精确,能适应复杂的路径条件及工作环境,能快速变更行驶路径和修改运行参数;主要缺点则为激光定位装置成本较高。

  (5)视觉导引 

  该导引方式的基本工作原理为:在AGV上安装CCD摄像机,AGV在行驶过程中通过视觉传感器采集图像信息,并通过对图像信息的处理确定AGV的当前位置(识别给定路标)。 

  视觉导引方式具有路线设置灵活,适用范围广,成本低等优点,也是AGV引导方式未来的发展方向。但是,由于利用车载视觉系统快速、准确地实现路标识别这一技术瓶颈尚未得到突破,因此,目前该方法尚未进入实用阶段,随着计算机技术的发展及快速图像处理关键技术的突破,视觉导引技术将成为最具应用前景的AGV导引技术。

  (6)惯性导引

  惯性导引方式的基本工作原理为:在AGV上安装陀螺仪,在行驶区域的地面上安装定位块,AGV通过对陀螺仪偏差信号的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和方向,从而实现AGV的自动导引。

  惯性导引技术是AGV领域一项新兴的导引技术,其主要优点是技术先进,定位精度高,灵活性强。随着惯性敏感元件的发展,成本的降低,惯性导引技术也极具发展前景。

  (7)复合导引

  任何一种导引方式均有其局限性,目前已经投入商业应用的复合导引AGV主要有激光及磁点复合导引方式。

  4. AGV运动控制系统

  AGV作为移动机器人的一个分支,其驱动方式主要包括单舵轮驱动、差速驱动和双舵轮驱动及多舵轮驱动等四种方式:多舵轮驱动一般用于载重10吨以上的AGV。

  5. 电机驱动总成

  AGV的电机驱动总成由伺服电机和减速机组成,用于AGV本体驱动以及装卸载机构的驱动,是AGV的核心部件,对AGV的成本和性能影响很大。目前国内电机驱动总成与国外相比仍有较大差距,国产AGV产品大多采用进口电机驱动总成及驱动器产品,成本很高。

  目前在国外,以低压交流电机为核心的交流电机驱动总成因其效率高、维护成本低,被广泛应用于重载AGV驱动系统中。国外AGV产品供应商竞相推出了性能更佳的交流电机驱动AGV,将其作为参与全球市场竞争的制胜砝码。

  6. AGV能源系统

  AGV能源系统是AGV的关键系统之一,它包括:电池智能充电管理系统、智能电池充电机、电池电量检测和电池。

  AGV用蓄电池的特性对AGV单机的设计影响很大,目前国内外厂家采用的蓄电池主要分铅酸电池和镉镍电池两大类。铅酸蓄电池充放电倍率低,适合慢充慢放,充电时间长,连续工作时间也较长;而镉镍蓄电池充放电倍率较高,适应快充快放,充电时间短,连续工作时间比铅酸电池较短;一般根据AGV的作业特点,如生产的间歇性、工作班次、AGV的运行时间来选择合适的蓄电池。

  在一些应用场合,如AGV行驶路径为固定路径,可用非接触感应供电取代电池供电,非接触感应供电方式由车载控制器通过耦合取电板从地下敷设的高频恒流线路上获取电能,经车载AC-DC转换后供给车载元件,从而实现了AGV在运动中非接触感应供电。

  7. AGV无线通讯系统

  AGV系统中有多台AGV同时工作,为了指挥各台AGV按照AGV管理系统所接受的任务协调地工作(即对AGV指派任务、进行交通管理等),所有的AGV以及系统中的其它自动化物流设备均由AGV管理监控计算机进行统一控制。AGV需要将当前的状态报告给AGV管理监控计算机,其与AGV之间的数据交换需要通过通讯系统来完成。有固定运行线路的AGV可以通过在运行线路上埋设的导线进行感应通讯,而全方位运行的AGV由于没有固定的运行线路,所以一般是使用无线通讯方式与主机交换数据,当车间中干扰源较多时,通讯系统必须有较高的可靠性,否则会引发AGV系统的误动作,目前国内外AGV无线通讯系统大多采用无线以太网标准协议802.11b/g的通用无线系统。无线通讯系统技术的提升和硬件成本的降低可以促进AGV的发展。

  关于我国AGV技术研究工作的几点建议

  目前,我国面临着人口红利即消失、劳动力成本大幅攀升、训练有素的产业工人缺乏、招工难等问题,这些问题催生了市场对机器人需求快速增长的强大动力。国内企业对工业机器人的需求空前高涨。如何能够为企业提供高性价比的工业机器人是机器人研发、生产企业面临的重要课题。

  根据目前AGV发展具体现状及趋势,我国AGV技术的研究工作应贯彻如下三条原则:

  (1) 以产品开发和市场需求带动技术研究; 

  (2) 鼓励开展AGV关键部件的技术研究工作,以此带动AGV产品技术水平的提高;

  (3)根据市场需求的多样化,开展不同成本的AGV产品研发工作。

   在我国应开展如下AGV关键技术的研究工作:

  (1) AGV管理监控调度系统:应开发基于50台以上AGV的管理调度系统开发工作,开展人机交互技术、远程监控技术、远程故障诊断技术的专项研究,提高我国自主知识产权的软件开发水平,以适应国内近年来AGV的市场需求;

  (2) AGV车载控制器:研制基于嵌入式计算机系统的专用AGV车载控制器,取代以采用工控机或通用PLC作为主控单元的AGV车载控制器是未来的技术发展趋势,也是今后研发工作的重点;

  (3) 随着制造业对AGV需求量的增加,载荷在40吨以上的重载型AGV的需求将快速增长,多舵轮驱动的AGV研发显得尤为重要,应开展多舵轮驱动AGV运动学研究和多舵轮运动控制算法的研究工作;

  (4) 视觉导引技术将成为最具应用前景的AGV导引技术,开展快速图像处理关键技术的研究工作,开展图像处理技术在AGV导引技术上的适应性研究工作,尽快使视觉导引技术在工程中实现成熟应用。
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