車間智能物料運載車的發(fā)展綜述

張柏 張興國 郭旭 唐玉芝

摘 要：作為移動機器人一員的智能物料運載車能實現(xiàn)自主導航功能，不但可以減輕工人的勞動強度，還可以提高工作效率，增強安全性，并進一步提升產(chǎn)品的市場競爭力等。本文主要綜述了運載車的結構設計、路徑規(guī)劃、自主導航方法和選擇最佳路徑的方法，為智能物料運載車的車間應用提供了參考。

關鍵詞：運載車；移動機器人；導航；智能化；綜述；

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）9（b）-0000-00

前言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，采用智能機械減輕人類體力勞動的應用越來越多。智能物料運載車不但可以減輕工人的勞動強度，還可以提高效率，增強安全性，提升產(chǎn)品的競爭力等，在各行業(yè)得到廣泛應用。

1智能運載車的結構及其發(fā)展

美國Basrrett電子公司于1953年開發(fā)成功世界上第一臺自主導航車，由一輛牽引式拖拉機改造而成的，可以在一間雜貨倉庫中沿著布置在空中的導航線運輸貨物。運載車的結構隨著技術進步不斷地改變創(chuàng)新，性能也得到了質(zhì)的飛躍，人性化、重型化、微型化、智能化已成為未來的發(fā)展趨勢。運載車一般由車主體、動力裝置、控制裝置三部分組成。

1.1智能運載車的結構

智能運載車的結構課分為底盤、動力裝置和控制裝置三部分。一般的運載車配有四個輪子，車底盤采用具有一定的強度的鋼材，通過控制機構實施前進、后退、轉(zhuǎn)向、停車等，可以采用后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向的方式、差動驅(qū)動方式或四個輪子全驅(qū)動方式。

1.2智能運載車的動力源

智能移動機器人的動力源大致分為四種：電氣式、液壓式、氣壓式和機械式。還可以分為內(nèi)部儲存、外部供給、內(nèi)部產(chǎn)生等方式。車間用運載車一般用蓄電池及其充電控制裝置，電池大多使用有鉛酸蓄電池、鎳鋅蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等電池，還要準備安全的充電設備，和必備的安全裝置。

1.3智能運載車的安全裝置

智能運載車在運行過程中存在著很多危險因素，其安全裝置很重要，不但對運載車在運行過程中的安全做保障，而且對現(xiàn)場的人員和工廠里的設備有著很大的保障。軟件上，當智能運載車遇到危險情況下，比如觸碰墻壁、人員等，車子即刻通過防觸碰傳感器感知，而后做出停車或倒退的動作。硬件上，在現(xiàn)場用顯眼的警示牌張貼在智能車經(jīng)常出沒的路線上，在智能車的上端配置安全燈，旁邊佩戴聲音裝置。當遇到危險路況閃爍并報警，提示周圍人員注意。

2智能運載車的行走策略

2.1智能運載車的路徑規(guī)劃和自主導航方法

2.1.1智能運載車的路徑規(guī)劃

基于模板匹配路徑的規(guī)劃技術，是將機器人當前的狀態(tài)和環(huán)境與過去進行比較，找到相近的狀態(tài)并進行修改，從而得到一個新的路徑。這種方法在環(huán)境確定的情況下，有著較好的應用效果，原理簡單、匹配成功效果好。但缺點是依賴于機器人過去的經(jīng)驗，同時一旦外界環(huán)境發(fā)生改變，要及時改變模板。

基于人工勢場路徑規(guī)劃技術的思想是將機器人在環(huán)境中運動視為一種在虛擬人工受力場中的運動，障礙物對機器人產(chǎn)生斥力，而目標對機器人產(chǎn)生引力，這樣引力與斥力的控制下就會產(chǎn)生對機器人的控制力，從而避開障礙物到達目標位置。早期的路徑規(guī)劃環(huán)境是靜態(tài)的，保持不變的靜態(tài)人工勢場，就是障礙物和目標都是靜態(tài)不變的，機器人只要根據(jù)目標和障礙物的位置，具體規(guī)劃出具體的路徑，而后達到目標終點。然而現(xiàn)實生活中，目標終點往往是動態(tài)的，周圍的環(huán)境也是動態(tài)的，也就是說障礙物和目標終點都是移動的，為了解決這樣的動態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃問題，人們提出一種相對動態(tài)人工勢場的方法，把時間看成規(guī)劃模型的一維參考量，而移動的障礙物在擴展模型中仍然被看做是靜態(tài)的，這樣動態(tài)的障礙物在擴展的模型中仍然被看成是靜態(tài)的，這樣的動態(tài)路徑規(guī)劃仍可運用靜態(tài)路徑規(guī)劃方法加以實現(xiàn)。

基于地圖構建路徑規(guī)劃技術是根據(jù)機器人自身傳感器接收道德信號，搜尋道德存在障礙物等信息，將機器人所處周圍環(huán)境劃分成不同的網(wǎng)格空間，計算機根據(jù)網(wǎng)格空間的障礙物的占有情況，再依據(jù)一定的規(guī)劃確定最優(yōu)的路徑。其中地圖的構建又分為可視線法、切線圖法、Voronoi圖法、概率圖展開法等。目前，地圖構建技術已成為移動機器人路徑規(guī)劃研究的熱點之一。

人工智能路徑規(guī)劃技術就是將現(xiàn)代人工智能技術運用在移動型機器人的路徑規(guī)劃過程中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、進化計算、模糊邏輯與信息融合等。其中遺傳算法是最早應用在組合優(yōu)化問題的智能優(yōu)化算法，該算法和派生算法在機器人應用領域中應用廣泛。不足之處在于遺傳算法和蟻群算法的路徑規(guī)劃技術主要針對路徑規(guī)劃中的部分問題。

2.1.2移動機器人的自主導航方法

自主導航方式就是指讓機器人、運載車運行的方向和路徑按照我們所想要的方向和路徑進行。如激光導航、坐標導航、視覺導航、路徑導航規(guī)劃等。

光學導航就是在地面上連續(xù)鋪設一條用發(fā)光材料制成的帶子，或者用發(fā)光材料涂抹在規(guī)定的運行路徑上。而后在機器人運載車底盤上安裝檢測反射光的傳感器，用左右偏差來測定校正控制電機驅(qū)動和方向。若把發(fā)光材料帶子換成金屬磁帶，安裝磁性傳感器，根據(jù)檢測的磁場來確定就是磁導航。

電磁感應導航方式與磁性導航相似，它也是在地面上預先設定規(guī)劃行駛路線，在相應的路線下埋下電線，當高頻電流流過導線，周圍相應的產(chǎn)生電磁場，在機器人運載車上左右對稱安裝若干個電磁傳感器，他們所接收的電磁信號的強度差異可以矯正行駛路線的偏離度。根據(jù)這樣的信號就可以控制機器人運載車的方向。

激光導航方式是在機器人運載車上安裝可以旋轉(zhuǎn)的激光掃描器，同時保證在需要經(jīng)過的路徑途中的墻壁或者支柱上安裝高光性反射板，然后根據(jù)接收四面八方的定為標志放射回來的信號，計算此時處在的位置和運動方向。通過內(nèi)置的數(shù)字地圖來進行方位的矯正，從而實現(xiàn)自動運行。同樣若激光信號改成紅外發(fā)射器或者超聲波發(fā)射器即可變成紅外導航或者超聲波導航方式。

視覺導航方式就是在機器人運載車中設置有行駛周圍路徑的圖像數(shù)據(jù)，在行駛過程中，通過車載攝像機和傳感器獲取周圍的圖像信息并和數(shù)據(jù)庫進行比較，從而確定相應的位置，作出下一步?jīng)Q策。

2.2選擇最佳路徑的方法

智能物料運載車使用空間是在相對靜態(tài)的車間里，所以可以選擇用模板匹配的方法進行路徑匹配。這個模板庫中要盡可能地包含已經(jīng)產(chǎn)生的路徑信息和環(huán)境信息，同時這些模板均可以通過特定的索引而獲取到。當機器人在規(guī)劃路徑時候，根據(jù)所處的環(huán)境信息和路徑信息進行信息匹配，尋找到一條最優(yōu)的模板，然后進行相應的修正，并作為最后的結果。一旦車間結構或者位置發(fā)生改變，只需要改變模板庫路徑，即可實現(xiàn)智能運載車準確的到達目標位置。同時還要考慮避障問題，大概分為兩類：基于路徑規(guī)劃法和基于傳感器反映避障法。基于路徑規(guī)劃法避障是假設周圍的環(huán)境是靜態(tài)不動的，傳感器反映式避障法則無需事先規(guī)劃，可將兩種避障方法同時使用時候提高可靠性。

3結語

車間智能車物料運載車可以有效減輕工人的勞動強度，增強車間之間的有效銜接，定會成為未來科技發(fā)展的主流。

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