自动导向车AGV开发技术综述与展望

闵四宗，祖基龙，刘家昶

广州普华灵动机器人技术有限公司 广东广州 510630

Automated Guided Vehicle简称AGV，是一种利用电磁或光学感应来引导的无人驾控的移动工具小车。最早由美国Barrett电子公司于20世纪50年代初开发成功，经过60多年的发展，随着电子技术及计算机技术的不断发展，AGV也不断朝着小型化、模块化及智能化发展，特别在德国于2013年提出以“智能工厂”“智能生产”及“智能物流”为三大主题的工业4.0，AGV更是高速发展，原因在于AGV是其中智能物流里很重要的物流衔接一环。所有这一切让AGV研发与应用正处在一条加速上升的通道，AGV已成为了我国机器人产业的一个很重要的组成部分。Logistics IQ调研报告提出到2027年，AGV和AMR（Autonomous Mobile Robot自主移动机器人）市场将超过180亿美元，AGV和AMR的增长率分别约为24%和43%，涵盖所有传统和新应用领域，如物流、制造、医疗保健、运输、消毒、零售和库存管理，安全和检查，农业、医院援助、室内和室外交付，清洁、远程存在和远程操作，以及数据平台和遥感。

基于这样的背景，各种传统的、新兴的技术都已经正在或将要在AGV的应用领域研究与应用。这主要涉及两方面的技术：电控技术及机械结构技术。

电控技术

1.定位和导航导引技术

AGV的导航引导方式呈现出多样性，主要分为磁导航、光学导航、激光导航、视觉导航、GPS导航和惯性导航等。根据AGV的导引线路的形式，又可分为固定路径导引方式和自由路径导引方式。目前应用最广的是基于磁导航与光学导航的固定路径导引方式。基于激光或视觉导航的AMR是未来趋势，其具有优良的适应性，这是应用类似于无人驾驶导航技术的移动小车，但受限于目前技术的发展，还在研发应用的前期。

2.线控技术

源于航空的线控技术，目前在新能源汽车应用中发展快速，AGV天然地必须采用线控技术。AGV从整体上看就是精简版的电动汽车，由于功能上简化了很多，其线控系统也是简单很多，大体与电动汽车的电气架构中的车辆控制相当。电动汽车的线控架构目前的趋势是向中心化、集成化发展，远景是上云端。AGV目前基于的控制器有PLC、工控机和MPU（微处理器）三种类型，现在应用最多是基于PLC的应用。随着应用场景的复杂度、智能化要求的提高及成本考虑，未来很大概率会跟随电动汽车的发展方向，从分布式电气架构趋向于性价比更高的集中式电气架构。要达到这一点就要加大集成控制器的研发，甚至电动机驱动也集成在主控制器里或者与电动机集成在一起。这种集成最大的优势是根据本公司产品的特点进行功能的优化与整合，去除无必要的冗余，减少了接口，具备较好的成本优势，也提高了可靠性。但对线缆要求会有所提高，包括长度增加及走线分布。

3.路径跟踪与运动控制

目前应用较多的仍然是采用基于误差反馈的闭环控制策略来消除系统跟踪误差。为保证其实时性、鲁棒性（在异常和危险情况下系统生存的能力）及AGV行驶的稳定性要求，AGV的运动学和动力学计算以及反馈控制算法优化提升，是目前AGV运动控制研究中的一个活跃领域。在智能控制技术方面，目前应用于AGV较多的控制方法是模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制及模式识别控制等，而且前两者应用较多。

4.环境感知与信息融合技术

AGV能够依靠多个多种传感器感知外部环境和自身状态，实现自主行驶任务。经过多年的发展，最初采用的导线导航方式基本已被淘汰，现在市场上广泛应用的导航方式主要有磁导航、二维码导航、激光导航和视觉导航等几种方式，而目前现场应用最多是前两种，而未来的发展趋势是后两种。

机械结构技术

AGV的机械结构从功能构造来看主要包括以下几部分：

1.底盘系统

底盘系统是AGV小车的支撑部分及驱动动力来源。在汽车行业底盘指的是车架部分，将发动机、变速器、驱动桥、悬架、轮胎及转向器等组合安装在车架上的汽车基本构成部分，后来又利用相同的底盘制造了其他车型，只是在外观和名称上有所不同，这样底盘经过演化其实际意义便成了平台。而AGV类似电动汽车但又有所简化，底盘系统主要包括支撑架、动力驱动轮系统及辅助轮，电动机取代了发动机，减速器取代了变速器，取消了驱动桥，悬架被简化成缓冲机构，聚酯胶轮取代了轮胎，电动机驱动的转向机构取代了转向器，制动部分也被电机抱闸所取代。

2.货物举升系统或者转移系统

货物举升系统或者转移系统是AGV重要功能部件，是其满足现场应用需求的必要部件。AGV最重要也是最常见的应用就是货物搬运过程实现智能化工厂的柔性衔接。而要实现这一功能除了能自动行走，最重要的是能把货物自动载运起来，因此其必要功能部件就是举升机构。另外一种常见的应用是能自动把货物从一条流水线转移到另一条自动化流水线上，这里则需要转移机构。

在有些场景下是举升与转移机构的综合应用。如要自动把货物从某点搬运到一条流水线上，这时就需要用到举升与转移两种机构。

在物流领域，举升是一种常见需求，因此有着各种类型的举升技术，如电梯所常用的缆绳式，叉车所常用的链条式及齿轮齿条式，汽车维修常用的剪叉式及液压式，机械领域常用的滚珠丝杆式或螺杆式等等。鉴于AGV本身的特点是体积不能太大，因此这些举升技术能用的只能是对尺寸要求不大的技术及其组合技术，如齿轮齿条式、链条与滚珠丝杆组合或者链条与螺杆组合、齿轮与滚珠丝杆组合或者齿轮与螺杆组合、剪叉式或者剪叉的变种连杆式。这些都有各自的优缺点，必须根据应用实际需求来合理选择举升方式。比如在尺寸要求小而举升高度大的场合，选用剪叉式举升会是一个较优的选择。

转移机构在各种领域应用比较多的就是滚筒输送和皮带输送等方式，其他还有滚珠丝杆或螺杆推送式，液压缸或气缸推送式以及剪叉推送式等。在AGV应用领域鉴于其满足衔接及一定承载的要求，转移机构应尽量简单可靠，因此滚筒输送的应用是最多的，特别是在与举升组合应用时一般应用都是滚筒输送，而其他转移方式则在一些特殊场合得以应用。

3.电气模块分布安装结构

电气模块分布安装结构主要是按照电气模块的安装特点及AGV整体布局要求来进行设计，因此没有什么结构标准形式，重点在于电气模块本身的安装要求、车身内部安装空间的合理性与可安装维护性以及EMC与EMI的考虑。在电气集成式与分布式的选择上遵循满足空间合理布局及可安装维护性的基础上兼顾成本来合理应用。有条件的公司可根据自身产品应用场景的分析归类而研制相应不同集成度的模块化的功能组件，以达到一定的批量化，从而达到满足功能性的前提下的降低成本。

4.外壳与人机接口

外壳与人机接口关键在于工业设计的水平，目前大部分AGV厂家还停留在满足功能应用的层面，对AGV的外观及人机界面的可观赏性及舒适性考虑得还不多，这与它的应用领域主要是工业领域有关。与消费领域相比，工业领域对这方面相对不敏感，关注更多的是功能性与安全。但随着社会的发展、行业的进步及竞争的加剧，工业设计水平会越来越受到客户的重视。

事实上“底盘系统”与“外壳、人机接口”的界限并不是确定的，有时二者是一体的，也就是如汽车常用的承载式车身，车体用薄钢板通过折弯焊接形成一个所需外观形状的框体，而所有驱动总成货物举升转移系统及各种电气模块都直接安装在车体上。这种方式的优点是充分利用车体本身结构带来的刚性与强度，在材料种类的使用上要少，用一到两种钢板就可以实现；其缺点是所用的钢板比较厚，且其需要大量的折弯、焊接与打磨工艺，在后期整车的安装上需要较大的吊装设备，在可生产性方面这种结构劣势比较明显。除了车身很矮时或是车身比较高大时安装便利性相对较好外，其他情况下其安装维护是比较麻烦的，如果要增加可生产性及可维护性则要在车身上增加较多的维护窗，对外观的影响比较大。

结语

从总的数字领域的发展趋势来讲，人工智能、新一代信息技术的快速发展，行业整体的互联网、数字化、无人驾驶技术的落地应用越来越成熟，这些因素都将推动AGV行业的发展。未来，借助5G、大数据、物联网、云计算等技术，AGV将不仅仅是简单地把货物搬运到指定位置，而是成为一种数字化系统节点，能实时感应、安全识别、多重避障、智能决策及自动执行等多功能的新型智能工业设备。而具体到AGV本体，随着技术的发展与行业竞争的加剧，如何在非标中找标准即各功能组件的集成化与模块化水平如何提高以降低成本是每个AGV厂家必须开始重视的问题，同时客户对工业设计水平的要求会越来越高，各AGV厂家必须在功能模块外购与自研、工业设计与成本效益之间进行合理的取舍以达到一个合理的公司收益水平，从而确保公司生存与发展。