自動導(dǎo)向車(AGV) 是采用自動或人工方式裝載貨物，按設(shè)定的路線自動行駛或牽引著載貨臺車至指定地點，再用自動或人工方式裝卸貨物的工業(yè)車輛。按日本JISD6801的定義：AGV是以電池為動力源的一種自動操縱行駛的工業(yè)車輛。自動導(dǎo)向車只有按物料搬運作業(yè)自動化、柔性化和準(zhǔn)時化的要求，與自動導(dǎo)向系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等構(gòu)成自動導(dǎo)向車系統(tǒng)(AGVS)才能真正發(fā)揮作用^[1][2]。

計算機硬件技術(shù)、并行與分布式處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及軟件開發(fā)環(huán)境的不斷發(fā)展，為AGV的研究與應(yīng)用提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)如理解與搜索、任務(wù)與路徑規(guī)劃、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，使AGV向著智能化和自主化方向發(fā)展。AGV的研究與開發(fā)集人工智能、信息處理、圖像處理為一體，涉及計算機、自動控制、信息通訊、機械設(shè)計和電子技術(shù)等多個學(xué)科，成為物流自動化研究的熱點之一。

盡管對AGV的研究已有多年的歷史，但仍有多項關(guān)鍵技術(shù)還有待提高和突破，以進一步提高AGV的性能，降低制造成本和減少使用費用^[3][4]。

• 1953年，第一輛AGV

AGV扮演物料運輸?shù)慕巧呀?jīng)50多年了。第一輛AGV誕生于1953年，它是由一輛牽引式拖拉機改造而成的，帶有車兜，在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導(dǎo)線運輸貨物。到上世紀(jì)五十年代末到六十年代初期時，已有多種類型的牽引式AGV用于工廠和倉庫。

• 1973年，沃爾沃裝配廠

1973年，位于瑞典卡爾馬市的沃爾沃裝配廠著手發(fā)展異步設(shè)備裝配線，來替代傳統(tǒng)的傳送帶式裝配線。至此，由計算機控制的裝配型AGV數(shù)量達到了280輛。

• 20世紀(jì)70年代，首輛負(fù)載AGV

20世紀(jì)70年代中期，由于負(fù)載AGV的引入，AGV產(chǎn)業(yè)得到了第一次較大的發(fā)展。由于這些負(fù)載AGV能夠為物料處理領(lǐng)域提供多功能的服務(wù)而被廣泛接受，例如工廠里的工作站臺，傳送設(shè)備，以及控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的連接等。目前，已經(jīng)有許多廠家制造的幾百個負(fù)載AGV系統(tǒng)運轉(zhuǎn)著。這些 AGV系統(tǒng)在倉庫、工廠、作坊、醫(yī)院以及其它工商業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的運用。

• 智能地面和dumb小車

20世紀(jì)70年代，基本的導(dǎo)引技術(shù)是靠感應(yīng)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率。通過一個叫做“地面控制器”的設(shè)備打開或關(guān)閉導(dǎo)線中的頻率，從而指引AGV沿著預(yù)定的路徑行駛。由于AGV只是沿著地面上的信號行駛，所以被稱為“dumb”，而AGV行駛的路徑是由智能的地面控制器決定的，因此，這一時期的系統(tǒng)被稱為“智能地面”和“dumb小車”。

AGV上的傳感器將根據(jù)信號的強度，選擇某一頻率的電磁信號為AGV提供導(dǎo)引。這項技術(shù)必須在地面埋設(shè)多條導(dǎo)線來處理交叉點或其它操作點。系統(tǒng)將給導(dǎo)線施加一定的電壓，使AGV按照預(yù)定的路徑行駛。例如，在一個交叉點必須設(shè)置3條獨立的導(dǎo)線。

這些第一代的導(dǎo)航電路在安裝上的花費是昂貴的。因為在AGV所行駛的路徑上都需要在地面上開槽，而且在彎道處，開槽的軌跡必須符合AGV的轉(zhuǎn)彎半徑。很多系統(tǒng)都需要埋設(shè)4條導(dǎo)線——3條用于導(dǎo)航，1條用于通信。另外，導(dǎo)線中的導(dǎo)航信號經(jīng)常會受到周圍的鋼筋或電子信號的干擾。

• 死估算能力

隨著電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV的應(yīng)用也越發(fā)廣泛。AGV變得更加智能化，而路徑卻沒有以前那么復(fù)雜了。其中，死估算的發(fā)展是最主要的突破之一。死估算這一術(shù)語描述的是AGV自主在地面行駛的能力。死估算的最大優(yōu)點是在交叉點不需要沿著AGV的轉(zhuǎn)彎半徑開槽，AGV可以離開導(dǎo)線，按照程序中設(shè)定的半徑轉(zhuǎn)彎，然后再繼續(xù)沿著導(dǎo)線行走。這樣，雖然在地面上仍然需要埋設(shè)多條導(dǎo)線，但是導(dǎo)線的安裝卻非常簡單了。

• 20世紀(jì)80年代，無線式導(dǎo)引

20世紀(jì)80年代末期，無線式導(dǎo)引技術(shù)引入到AGV系統(tǒng)中，例如利用激光和慣性進行導(dǎo)引，這樣提高了AGV系統(tǒng)的靈活性和準(zhǔn)確性，而且，當(dāng)需要修改路徑時，也不必改動地面或中斷生產(chǎn)。這些導(dǎo)引方式的引入，使得導(dǎo)引方式更加多樣化了。

• 計算機的功能

隨著電子產(chǎn)品和計算機軟件等高科技產(chǎn)品的快速發(fā)展，降低了微電腦和微電子器件的成本，毫無疑問，這對AGV的發(fā)展起到了極大的推動作用。AGV系統(tǒng)中的計算機用于存儲指令、做出判斷以及執(zhí)行程序等。實際上，幾乎所有目前由人工控制的物料處理過程，都可以由AGV來完成。AGV能夠合理安排生產(chǎn)時序，保存產(chǎn)品清單，管理系統(tǒng)明細，以及控制多種類型的機械系統(tǒng)的所有操作。

• 應(yīng)用與控制

AGV的應(yīng)用從最初的傳統(tǒng)式定向配送，迅猛地發(fā)展到擁有機器人接口的、由復(fù)雜的計算機控制的汽車裝配線領(lǐng)域。AGV能夠成為一個獨立的系統(tǒng)，也可以集成到其它系統(tǒng)中，或者成為各個相對獨立的自動化生產(chǎn)區(qū)之間的紐帶。最初的AGV只用于在水平方向上搬運放在托盤上的物料，而目前對于AGV的設(shè)計和應(yīng)用已經(jīng)像工業(yè)機器人一樣多種多樣了。

• AGV的制造

市場對AGV需求量可以由AGV生產(chǎn)廠家的增長數(shù)量來衡量。上世紀(jì)70年代末起，美國只有不到6家AGV生產(chǎn)廠家，AGV的型號也不過3種。隨著對產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的日益重視，到了1990年，全世界的AGV生產(chǎn)廠家達到40多個，車型也超過了15種。隨著科技的發(fā)展，將推動未來AGV的革新。而AGV使用數(shù)量的日益增長，反過來又促進了在AGV研發(fā)上加大投資力度。

1953年，美國Barrett Electric公司制造了世界上第1臺采用埋線電磁感應(yīng)方式跟蹤路徑的自動導(dǎo)向車，也被稱作“無人駕駛牽引車”。20世紀(jì)60年代和70年代初，AGV仍采用這種導(dǎo)向方式。但是，20世紀(jì)70年代中期，具有載貨功能的AGV在歐洲得到了應(yīng)用并被引入到美國。這些自動導(dǎo)向車主要用于自動化倉貯系統(tǒng)和柔性裝配系統(tǒng)的物料運輸。在20世紀(jì)70年代和80年代初，AGV的應(yīng)用領(lǐng)域擴大而且工作條件也變得多樣化，因此，新的導(dǎo)向方式和技術(shù)得到了更廣泛的研究與開發(fā)^[6]。

在最近的10—15年里，各種新型AGV被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。單元式AGV主要用于短距離的物料運輸并與自動化程度較高的加工設(shè)備組成柔性生產(chǎn)線。例如，自動導(dǎo)向叉車用于倉貯貨物的自動裝卸和搬運；小型載貨式AGV用于辦公室信件的自動分發(fā)和電子行業(yè)的裝配平臺。除此以外，AGV還用于搬運體積和重量都很大的物品，尤其是在汽車制造過程中用多個載貨平臺式AGV組成移動式輸送線，構(gòu)成整車柔性裝配生產(chǎn)線。最近，小型AGV應(yīng)用更為廣泛，而且以長距離不復(fù)雜的路徑規(guī)劃為主。AGV從僅由大公司應(yīng)用，正向小公司單臺應(yīng)用轉(zhuǎn)變，而且其效率和效益更好^[7]。表1是1993～1997年AGV在國外各個行業(yè)的銷售情況。

表1AGV在國外各個行業(yè)的銷售情況(%)

20世紀(jì)80年代中期，57％的AGV用于汽車制造業(yè)，而在西德則高達64％。從表1可以看出，汽車制造業(yè)仍然是AGV的主要應(yīng)用領(lǐng)域。另外，根據(jù)對國外公司物料搬運系統(tǒng)裝備類型的統(tǒng)計，采用自動導(dǎo)向車、有軌搬運車、起重機、輥子輸送機、懸掛運輸機的分別占41％、29％、9％、10％和11％。

AGV在我國的研究及應(yīng)用起步較晚。20世紀(jì)70年代后期，北京起重運輸機械研究所研制了三輪式AGV。80年代后期，北京機械工業(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，沈陽自動化研究所為金杯汽車公司研制了汽車發(fā)動機裝配用的AGV。90年代，清華大學(xué)國家CIMS工程中心將從國外引進的AGV成功地應(yīng)用于EIMS的實驗研究；清華大學(xué)計算機技術(shù)應(yīng)用系研制了用于郵政中心的AGV；昆明航舶設(shè)備研究所研制了激光導(dǎo)向式AGV以及吉林工業(yè)大學(xué)智能車輛課題組為汽車裝配線研制了視覺導(dǎo)向AGV等。

目前國產(chǎn)AGV在國內(nèi)的應(yīng)用主要在汽車裝配線行業(yè)，歐美AGV在國內(nèi)主要應(yīng)用在卷煙行業(yè)。國內(nèi)AGV技術(shù)激光導(dǎo)航器等關(guān)鍵部件還是需要進口。

1、運行路徑和目的地可以由管理程序控制，機動能力強。而且某些導(dǎo)向方式的線路變更十分方便靈活，設(shè)置成本低。

2、工位識別能力和定位精度高，具有與各種加工設(shè)備協(xié)調(diào)工作的能力。在通訊系統(tǒng)的支持和管理系統(tǒng)的調(diào)度下，可實現(xiàn)物流的柔性控制。

3、載物平臺可以采用不同的安裝結(jié)構(gòu)和裝卸方式，能滿足不同產(chǎn)品運送和加工的需要。因此，物流系統(tǒng)的適應(yīng)能力強。

4、可裝備多種聲光報警系統(tǒng)，能通過車載障礙探測系統(tǒng)在碰撞到障礙物之前自動停車。當(dāng)其列隊行駛或在某一區(qū)域交叉運行時，具有避免相互碰撞的自控能力，不存在人為差錯。因此，AGVS比其他物料搬運系統(tǒng)更安全。

5、AGV組成的物流系統(tǒng)不是永久性的，而是在給定的區(qū)域內(nèi)設(shè)置。與傳統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)在車間內(nèi)固定設(shè)置且不易變更相比，該物流系統(tǒng)的設(shè)置柔性強，并可以充分利用人行通道和叉車通道，從而改善車間地面利用率。

6、與其他物料輸送方式相比，初期投資大，但可以大幅度降低運行費用，特別是在產(chǎn)品類型和工位較多時。AGV在國內(nèi)限制發(fā)展的原因就是價格太貴，一般行業(yè)無法接受。

AGV的導(dǎo)向方式不僅決定著由其組成的物流系統(tǒng)的柔性，也影響著系統(tǒng)運行的可靠性和組態(tài)費用。直到20世紀(jì)80年代，埋線電磁感應(yīng)導(dǎo)向技術(shù)仍然只是可選擇的導(dǎo)向技術(shù)之一。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及AGV導(dǎo)向技術(shù)的多樣化和導(dǎo)向方式的多元化，使AGV的性能進一步提高并能適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境，應(yīng)用也更為廣泛。

AGV與其他物料搬運方式相比有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在導(dǎo)向柔性、空間利用、運行安全性以及使用費用等方面。

1、可靠度

對國外十幾家AGV公司27個系列產(chǎn)品所采用的主要導(dǎo)向技術(shù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，電磁感應(yīng)、慣性導(dǎo)航、光學(xué)檢測、位置設(shè)定、激光檢測、圖像識別所占比例分別為 32.3％、27.8％、16.9％、13.8％、7.69％和1.54％。

其中，電磁感應(yīng)導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用比例最高，這表明該項技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而機器視覺導(dǎo)向技術(shù)應(yīng)用較少，說明該項技術(shù)還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導(dǎo)航技術(shù)仍然處在研究階段，還有許多技術(shù)問題需要解決。

2、適應(yīng)能力

適應(yīng)能力是指AGV運行時所經(jīng)過地面的整潔程度、空間無障礙程度以及光電干擾程度對導(dǎo)向技術(shù)的限制。由于不同的導(dǎo)向技術(shù)對應(yīng)用環(huán)境的要求不同，因此，某種導(dǎo)向方法的實際應(yīng)用有可能受到限制。

對于有線式導(dǎo)向技術(shù)，如埋線感應(yīng)、光學(xué)導(dǎo)向和機器視覺等，環(huán)境要求主要是地面的平整和清潔程度。除了埋線電磁感應(yīng)式對地面的清潔程度要求較低外，其他幾種方式都要求較高。但電磁和磁帶導(dǎo)向方式對地面的平整程度要求較高。

對于無線式所采用的激光導(dǎo)向技術(shù)而言，環(huán)境要求主要是空間的無障礙程度。這是由于該種方法要在AGV運行所經(jīng)過空間的特定位置處設(shè)置反射鏡面。因此，需要提供足夠的掃描空間，避免其他物體的干擾。

慣性導(dǎo)向和坐標(biāo)識別導(dǎo)向技術(shù)對運行環(huán)境沒有太多的要求。

3、路徑柔性

由AGV組成的物料搬運系統(tǒng)有良好的柔性，但不同的導(dǎo)向技術(shù)其路徑柔性有很大差別。

無線式導(dǎo)向方法可以在很短的時間內(nèi)改變運行路徑，其中有些方法只需改變控制軟件實現(xiàn)運行路徑的變更。而有線式導(dǎo)向方法的路徑柔性相對較差，其中電磁感應(yīng)埋線導(dǎo)向技術(shù)導(dǎo)向路徑的變更最困難，成本較高。

4、運行速度

AGV的運行速度受導(dǎo)向技術(shù)的影響很大，主要取決于對導(dǎo)向路徑識別的實時性。所采用的導(dǎo)向技術(shù)對路徑的識別能力(如檢測精確性、實時性和抗干擾性等)直接影響運行速度。

有線式導(dǎo)向方法識別路徑的速度快、實時性好，而無線式導(dǎo)向方法相對較差。

5、導(dǎo)向穩(wěn)定程度

導(dǎo)向穩(wěn)定程度是指為使AGV沿著規(guī)定的路線行駛單位時間內(nèi)進行糾偏轉(zhuǎn)向控制的次數(shù)和幅度。由于AGV在運行過程中，受某種因素的影響不可避免地產(chǎn)生偏離運動路徑的狀態(tài)，因此為了保證運行方向必須對車輛進行轉(zhuǎn)向控制，引起車輛沿曲線運動，導(dǎo)致車輛擺動，甚至轉(zhuǎn)向振蕩。

一般來講，有線式導(dǎo)向方法對路徑的跟蹤能力強，行駛穩(wěn)定性好，AGV沿著規(guī)定路線行駛的穩(wěn)定程度高。

6、定停精度

定停精度是指AGV在停車時與預(yù)定位置的偏差，它由方向偏差和距離偏差2部分組成。在物料搬運過程中，AGV應(yīng)能在所要求的工位或貨位上與自動裝卸機構(gòu)準(zhǔn)確對接。定停精度是一項重要的技術(shù)指標(biāo)。

定停精度受導(dǎo)向技術(shù)的直接影響并且和控制技術(shù)相關(guān)。用標(biāo)線圖像識別技術(shù)不僅能識別路徑標(biāo)線，而且還可以識別停車標(biāo)識信息，一次柔性定停精度可以達到±5mm。電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)的一次柔性定停精度為±20mm，而采用其他導(dǎo)向技術(shù)時，一般需要輔以二次剛性定位措施才能達到定停精度的要求。

國外先進的AGV制作廠家，導(dǎo)線定位定靠精度可以達到±2mm，激光定位停靠精度可以達到±10mm。

7、信息容量

任何一種導(dǎo)向技術(shù)都以能獲取定位信息為前提，但不同的導(dǎo)向技術(shù)所獲取的相關(guān)信息的容量有很大差別。采用圖像識別技術(shù)不僅可以獲得路徑信息，而且還可以獲得工位編碼，加速、減速和停車標(biāo)識等控制信息，獲取的信息容量大，可提高路徑導(dǎo)向及控制柔性。

8、技術(shù)成本

導(dǎo)向技術(shù)的技術(shù)成本包括二個方面，即制造成本和使用費用。一般來講，無線式導(dǎo)向方法的制造成本較高，而有線式導(dǎo)向方法的使用費用較高。

AGV是工廠及倉儲物料搬運自動化的主要裝備之一，而導(dǎo)向技術(shù)決定著由AGV組成的物流系統(tǒng)的柔性。在所述的各種導(dǎo)向技術(shù)中，電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)最成熟，使用可靠；無線式導(dǎo)向技術(shù)成本較高，但路徑設(shè)置和變更簡單方便，使用費用低；有線式導(dǎo)向技術(shù)對地面的平整和清潔程度要求較高，其中電磁感應(yīng)埋線式導(dǎo)向技術(shù)的路徑設(shè)置和變更復(fù)雜，使用費用高；標(biāo)線圖像識別技術(shù)所能獲取的信息容量大，路徑設(shè)置和變更簡單方便，導(dǎo)向控制柔性好，定停精度高，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的導(dǎo)向技術(shù)。

五十年代，第一臺自動導(dǎo)引車是由Barrett電子公司在美國開發(fā)成功，但在六十年代和七十年代AGV技術(shù)主要在歐洲得到發(fā)展。八十年代，發(fā)展中心又轉(zhuǎn)移到美國。

目前在國內(nèi)AGV的應(yīng)用剛剛開始，并逐漸開始推廣，總體上相當(dāng)于國外八，九十年代的水平。但從應(yīng)用的行業(yè)分析，分布面非常廣闊，有汽車工業(yè)，飛機制造業(yè)，家用電器行業(yè)，煙草行業(yè)，機械加工，倉庫，郵電部門等。這說明AGV在我國有一個潛在的廣闊市場。

隨著社會科技的發(fā)展和市場需求水平的提高，AGV 技術(shù)也有其自身的主要發(fā)展方向：

• AGV的市場正向二極化方向發(fā)展，一個是向自動化程度高的高檔市場發(fā)展；另一個是向流通領(lǐng)域 、 辦公室等大多數(shù)人為接點的低檔市場發(fā)展。

• AGV正向多導(dǎo)向方式、智能化發(fā)展。

要求現(xiàn)預(yù)定的搬運計劃，發(fā)揮無人搬運車的優(yōu)勢，關(guān)鍵取決于導(dǎo)向系統(tǒng)。電磁導(dǎo)向方式是最先開發(fā)的AGV導(dǎo)向方式，目前應(yīng)用的范圍最為廣泛。但由于電磁導(dǎo)向方式的缺點，相繼出現(xiàn)了光學(xué)導(dǎo)向方式，磁石導(dǎo)向方式，激光導(dǎo)向，標(biāo)記追蹤導(dǎo)向及圖象傳感器導(dǎo)向方式等。多種導(dǎo)向方式充分體現(xiàn)了無人搬運系統(tǒng)高柔性，高效率，高可靠性，低成本的發(fā)展特點，并正向智能化方向發(fā)展，使AGV技術(shù)達到新水平。

• 對AGV 進行工程可行性分析驗證時，愈來愈多的使用系統(tǒng)仿真方法。專用仿真語言將使用戶使用方便，仿真費用將不斷降低，一般仿真系統(tǒng)包括有彩色圖形輸入與顯示系統(tǒng)，仿真處理機和仿真語言。

• AGV/AGV模塊化設(shè)計研究，由于不同的AGV/AGV之間有許多的模塊的功能是相同的，因此為了能夠適應(yīng)不同的使用要求和縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，最好是采用模塊化的設(shè)計方法，將AGV的各功能模塊設(shè)計成不同的系列，再根據(jù)具體的使用要求進行組合。

• AGV系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)愈來愈多地具有跟蹤物料和存儲信息的功能，以支持“準(zhǔn)時制”生產(chǎn)，以便允許與AGV間或任何其他控制器進行通信。

• 把AGV和移動機器人的能夠進行靈活操作的優(yōu)點結(jié)合起來，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的應(yīng)用。

• AGV在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將繼續(xù)增長，并進入生活服務(wù)行業(yè)，其中包括辦公室、醫(yī)院、賓館、郵政部門、超級市場和高爾夫球場等。