自动导航小车优化方案

近年来，自动化技术呈现加速发展的趋势，国内自动化立体仓库和自动化柔性装配线进入发展与普及阶段。目前，物流仓储、航空运输、印刷行业、烟草行业、摩托车行业、汽车行业、家用电器行业有众多企业已经或者即将投入巨资建立自己的自动化仓储物流体系。其中，在自动仓库与生产车间之间，各工位之间，各段输送线之间，自动导航小车（Automated Guided Vehicle，AGV）起到了无可替代的重要作用。图5-21所示为AGV系统示意图。

图5-21　AGV系统示意图

1.AGV定义与特点

AGV指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶（如具有安全保护以及各种移载功能的运输车，工业应用中不需驾驶员的搬运车），以可充电之蓄电池为其动力来源，可通过计算机来控制其行进路线以及行为，或利用电磁轨道设置其行进路线，无人搬运车则依循电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。AGV以轮式移动为特征，与步行、爬行或其他非轮式的移动机器人相比，具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无须铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。与传统的传送辊道或传送带相比，AGV输送路线具有施工简单、路径灵活、不占用空间、移动性强、柔性好等优点。

2.AGV系统结构与功能

AGV系统的组成可分为车体系统、车载控制系统、安全与辅助系统等部分，如图5-22所示。

（1）车体系统。它包括底盘、车架、壳体、防撞杆等，AGV的躯体具有电动车辆的结构特征。

（2）车载控制系统。它主要由电力与驱动系统、影像检测系统、红外感测系统组成。车载控制系统是AGV的核心部分。系统分为顶层控制结构和底层控制机构（见图5-22）。顶层控制机构主要由影像检测系统、中心控制计算机组成；底层控制系统主要由避障系统、定位及伺服控制DSP系统等组成。

图5-22　AGV系统结构框图

AGV系统包括硬件系统和软件系统两部分，其硬件系统结构如图5-23所示。该系统分为地面（上位）控制系统、车载（单机）控制系统及导航/导引系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配、车辆调度、路径（线）管理、交通管理、自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后，负责AGV的导航计算、导引实现、车辆行走、装卸操作等功能；导航/导引系统为AGV单机提供系统绝对或相对位置及航向。

图5-23　AGV系统的硬件结构

AGV系统是一套复杂的控制系统，加之不同项目对系统的要求不同，更增加了系统的复杂性，因此，系统在软件配置上设计了一套支持AGV项目从路径规划、流程设计、系统仿真（Simulation）到项目实施全过程的解决方案。上位系统提供了可灵活定义AGV系统流程的工具，可根据用户的实际需求来规划或修改路径及系统流程，并提供了可供用户定义不同AGV功能的编程语言。AGV系统的软件结构如图5-24所示。

图5-24　AGV系统的软件结构

3.AGV地面控制系统

AGV地面控制系统（stationary system）即AGV上位控制系统，是AGV系统的核心。其主要功能是对AGV系统（AGVS）中的多台AGV单机进行任务管理、车辆管理、交通管理、通信管理、车辆驱动等。

（1）任务管理。任务管理类似计算机操作系统的进程管理，它提供对AGV地面控制程序的解释执行环境；提供根据任务优先级和启动时间的调度运行；提供对任务的各种操作，如启动、停止、取消等。

（2）车辆管理。车辆管理是AGV管理的核心模块，它根据物料搬运任务的请求，分配调度AGV执行任务，根据AGV行走时间最短原则，计算AGV的最短行走路径，并控制指挥AGV的行走过程，及时下达装卸货和充电命令。

（3）交通管理。根据AGV的物理尺寸大小、运行状态和路径状况，提供AGV互相自动避让的措施，同时避免车辆互相等待的死锁方法和出现死锁的解除方法。AGV的交通管理主要有行走段分配和死锁报告功能。

（4）通信管理。通信管理提供AGV地面控制系统与AGV单机、地面监控系统、地面IO设备、车辆仿真系统及上位计算机的通信功能。和AGV间的通信使用无线电通信方式，需要建立一个无线网络，AGV只和地面系统进行双向通信，AGV间不进行通信。地面控制系统采用轮询方式和多台AGV通信。AGV与地面监控系统、车辆仿真系统、上位计算机的通信使用TCP/IP通信。

（5）车辆驱动。车辆驱动负责AGV状态的采集，并向交通管理发出行走段的允许请求，同时把确认段下发AGV。

4.车载控制系统(www.xing528.com)

AGV车载控制系统，即AGV单机控制系统，在收到上位系统的指令后，负责AGV单机的导航、导引、路径选择、车辆驱动、装卸操作等。

（1）导航（navigation）。AGV单机通过自身装备的导航器件测量并计算出其在全局坐标中的位置和航向。

（2）导引（guidance）。AGV单机根据现在的位置、航向及预先设定的理论轨迹来计算下个周期的速度值和转向角度值，即AGV运动的命令值。

（3）路径选择（searching）。AGV单机根据上位系统的指令，通过计算，预先选择即将运行的路径，并将结果报送上位控制系统，能否运行由上位系统根据其他AGV所在的位置统一调配。AGV单机行走的路径是根据实际工作条件设计的，它有若干“段”（segment）组成。每一“段”都指明了该段的起始点、终止点，以及AGV在该段的行驶速度和转向等信息。

（4）车辆驱动（driving）。AGV单机根据导引（guidance）的计算结果和路径选择信息，通过伺服器件控制车辆运行。

5.AGV导航/导引方式及特点

AGV之所以能够实现无人驾驶，导航和导引对其起到了至关重要的作用，随着技术的发展，目前能够用于AGV的导航/导引技术主要有以下几种。

1）坐标导引（cartesian guidance）

坐标导引以光学、电磁传感器等传感器获取地面栅格信息，通过运算得到绝对位置信息的导引模式。用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域，通过对小区域的计数实现导引，一般有光电式（将坐标小区域以两种颜色划分，通过光电器件计数）和电磁式（将坐标小区域以金属块或磁块划分，通过电磁感应器件计数）两种形式。其优点是可以实现路径的修改，导引的可靠性好，对环境无特别要求；缺点是地面测量安装复杂，工作量大，导引精度和定位精度较低，且无法满足复杂路径的要求。

2）电磁导引（wire guidance）

电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用。它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线上加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通信，对声光无干扰，制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展，对复杂路径的局限性大。

3）磁带导引（magnetic tape guidance）

磁带导引与电磁导引相近，是用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引，其灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设简单易行。但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，磁带易受机械损伤，因此导引的可靠性受外界影响较大。

4）光学导引（optical guidance）

光学导引是在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，通过对摄像机采入的色带图像信号进行简单处理而实现导引，其灵活性比较好，地面路线设置简单易行，但对色带的污染和机械磨损十分敏感，对环境要求过高，导引可靠性较差，精度较低。

5）激光导航（laser navigation）

激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过激光扫描器发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和航向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。

此项技术最大的优点是，AGV定位精确，地面无须其他定位设施，行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式。缺点是制造成本高，对环境要求较相对苛刻（外界光线，地面要求，能见度要求等），不适合室外（尤其是易受雨、雪、雾的影响）。

6）惯性导航（inertial navigation）

惯性导航是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号（角速率）的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向，从而实现导引。

此项技术在军方较早运用，其主要优点是技术先进，较之有线导引，地面处理工作量小，路径灵活性强。其缺点是制造成本较高，导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。

6.AVG导航策略

根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，可以将AVG导航策略分为电磁导引、光条纹导引、磁带导引、激光定位、基于地图导航、基于路标导航、基于视觉导航、基于传感器导航等。在实际应用中，室内或室外环境是已知、不变的，且环境比较规整，可采用基于地图的导航，在AGV内部事先存上环境的完整信息，然后在预先规划的全局路线的基础上，采用路径跟踪和避障技术，实现AGV导航。激光定位的原理是AGV实时接收固定设置的3点定位激光信号，通过计算测定其瞬时位置和运行方向，然后与设定的路径进行比较，以引导车辆运行。激光检测技术的导向与定位精度较高，且提供了任意路径规划的可能性，但成本高，传感器和发射、反射装置的安装复杂，位置计算也复杂。计算机视觉导引的原理是一种处于发展中的技术。视觉导引方法较多，主要是通过CCD摄像头获取周边或者地表图像，然后进行仿生图像识辨确定自身坐标位置，进而导引AGV。

7.GPS自动导航探测小车

作为移动机器人的一种，GPS自动导航探测小车搭配了各种车载传感器，感知周围的环境，并通过无线收发模块将感知的信息传输到计算机上。小车获取GPS卫星定位接收模块和电子罗盘发出的数据，由上位机软件做出计算与判断后，给小车发送运动指令，规划小车的行驶路径。在行驶过程中若遇到障碍物时，小车启动避障系统。该系统成本低、精度高，还能自动多次校正行驶方向与行驶距离，工作稳定、可靠。