AGV小車導(dǎo)向技術(shù)分析與展望

陳斌 藺露

西安航天三沃機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司 陜西 西安 710065

引言

AGV小車（Automated Guided Vehicle）是以電池為能源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)導(dǎo)向的方式實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)行走及搬運(yùn)貨物。AGV小車最早由美國(guó)公司研發(fā)成功，但由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)對(duì)限制一直未能在市場(chǎng)上推廣。我國(guó)在智能制造的推動(dòng)下迎來AGV小車的發(fā)展機(jī)遇。由于AGV小車能夠按路徑自主行駛，車體上可以集成相關(guān)功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，代替人力搬運(yùn)貨物，所以被廣泛被應(yīng)用到了各行各業(yè)，已經(jīng)成為自動(dòng)化系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)和智能倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中重要組成部分。

一般AGV小車會(huì)集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、轉(zhuǎn)向控制、路徑規(guī)劃、動(dòng)態(tài)決策和環(huán)境感知等功能，根據(jù)其功能特點(diǎn)，可以將其納入智能機(jī)器人這一范疇[1]。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、轉(zhuǎn)向控制、動(dòng)態(tài)決策和環(huán)境感知技術(shù)相對(duì)比較成熟，路徑規(guī)劃成為近幾年各大高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)的研究熱點(diǎn)。

目前AGV小車的導(dǎo)向方式有多種，不同對(duì)導(dǎo)向方式適應(yīng)于不同環(huán)境。已經(jīng)被研究并應(yīng)用的導(dǎo)向方式有：電磁感應(yīng)式導(dǎo)向、光感應(yīng)式導(dǎo)向、慣性器件導(dǎo)向、激光導(dǎo)向、視覺識(shí)別導(dǎo)向和磁條導(dǎo)向。

1.1 電磁感應(yīng)式導(dǎo)向

20世紀(jì)70年就已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)采用電磁感原理進(jìn)行導(dǎo)向，這種導(dǎo)向方式實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。電磁感應(yīng)式導(dǎo)向通過一根導(dǎo)線作為導(dǎo)引線，對(duì)導(dǎo)引通入直流電流，調(diào)整導(dǎo)線中電流的大小使導(dǎo)線周圍形成圓形磁場(chǎng)。距離導(dǎo)線的徑向距離越近磁場(chǎng)越大，距離導(dǎo)線的徑向距離越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越小[2]。在AGV小車上安裝兩個(gè)感應(yīng)線圈，通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小來判斷兩個(gè)感應(yīng)線圈的安裝點(diǎn)距離導(dǎo)線的徑向距離大小，進(jìn)而可以對(duì)AGV小車進(jìn)行導(dǎo)向控制，原理如圖1所示。這種導(dǎo)引方式原理比較簡(jiǎn)單，但需要在導(dǎo)向路徑上布設(shè)線纜具有較高對(duì)施工成本、硬件成本和維護(hù)成本，此外導(dǎo)向線纜一旦布設(shè)好后很難進(jìn)行二次更改，所以不適用于復(fù)雜路徑。

圖1 電磁感應(yīng)式導(dǎo)向原理

1.2 光感應(yīng)式導(dǎo)向

光感應(yīng)式導(dǎo)向是將具有光反射功能的金屬或非金屬帶布設(shè)在AGV小車的行駛路徑上，AGV小車中央設(shè)置光源裝置，兩側(cè)設(shè)置光檢測(cè)器，光源裝置照射反光帶后會(huì)被光檢測(cè)器接收，AGV小車控制系統(tǒng)通過對(duì)比兩個(gè)光檢測(cè)器接收信號(hào)的強(qiáng)度判斷AGV小車徑向位置，從而控制導(dǎo)向及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使AGV小車沿著反光帶路徑行駛。光感應(yīng)式導(dǎo)向需要將反光帶布設(shè)在AGV小車行駛路徑上，所以對(duì)路徑的平整度要求較高，同時(shí)為了保證反光帶良好反光性，反光帶必須表面光滑干凈。此外，采用光感應(yīng)式導(dǎo)向，路徑周圍不能有其他光源信號(hào)，以免干擾AGV小車光檢測(cè)器正常檢測(cè)。光感應(yīng)式導(dǎo)向原理如圖2所示。

圖2 光感應(yīng)式導(dǎo)向原理

1.3 慣性器件導(dǎo)向

慣性器件導(dǎo)向是基于慣性元件的應(yīng)用，簡(jiǎn)單來講就是在AGV小車上安裝慣性元件，在地面上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，當(dāng)AGV小車行駛時(shí)控制系統(tǒng)采集慣性元件的水平加速度和水平角加速度，分別對(duì)水平加速度和水平角加速度進(jìn)行積一次分處理便得到AGV小車與基準(zhǔn)點(diǎn)之間距離和相對(duì)方向。AGV小車通過實(shí)際軌跡和規(guī)劃路徑軌跡對(duì)比得出偏離值進(jìn)而控制AGV小車沿著規(guī)劃路徑行駛。這種導(dǎo)向方式不需要對(duì)AGV小車的行駛路徑進(jìn)行改造，具有快速布置，柔性高，易更改，適用于復(fù)雜路徑。慣性器件導(dǎo)向?qū)T性元件的精度要求較高，此外慣性器件導(dǎo)向?qū)r(shí)間的累計(jì)誤差較大，所以在實(shí)際使用過程中需要每隔一段距離或時(shí)間對(duì)AGV小車對(duì)絕對(duì)位置進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.4 激光導(dǎo)向

激光導(dǎo)向在最近幾年發(fā)展比較快，使用也比較廣泛。激光導(dǎo)向是在AGV小車的行駛路徑兩邊設(shè)置反射板，在AGV小車上安裝360度激光雷達(dá)，AGV小車在行駛運(yùn)行過程中激光雷達(dá)不斷旋轉(zhuǎn)并發(fā)射脈沖光束，激光雷達(dá)能夠計(jì)算出接收光束的反射距離，通過AGV小車周圍任意三個(gè)光束反射距離、反射板的坐標(biāo)值和車體縱向軸與反射板水平面內(nèi)的法線夾角就可以計(jì)算出當(dāng)前AGV小車的位置和當(dāng)前行駛方向，AGV小車通過實(shí)際軌跡和規(guī)劃路徑軌跡對(duì)比得出偏離值進(jìn)而控制AGV小車沿著規(guī)劃路徑行駛。激光導(dǎo)向方式具有較高對(duì)導(dǎo)向精度和導(dǎo)定位精度，但對(duì)放射板安裝有較高對(duì)要求，控制算法比較復(fù)雜，實(shí)施成本較高。

1.5 視覺識(shí)別導(dǎo)向

視覺導(dǎo)向是在AGV小車上安裝攝像機(jī)，通過采集AGV小車行駛路徑上的圖像信息，通過相關(guān)算法進(jìn)一步提取圖像特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建地圖數(shù)據(jù)，此外根據(jù)測(cè)量圖像特征點(diǎn)的距離，對(duì)構(gòu)建出來的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，從而完成全局環(huán)境的構(gòu)建。AGV小車在動(dòng)態(tài)行走時(shí)通過攝像機(jī)采集小車前方的圖像信息實(shí)施分析并和已構(gòu)建的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比從而確定當(dāng)前AGV小車的位置[3]。視覺導(dǎo)向方式應(yīng)用比較靈活，精度較高，能夠適應(yīng)復(fù)雜路徑，路徑更改更為便捷。但由于攝像機(jī)容易受到光線對(duì)干擾，所以視覺導(dǎo)向方式對(duì)攝像機(jī)規(guī)格參數(shù)和行駛路徑周圍的光線都有較高對(duì)要求，實(shí)現(xiàn)難度較高。

1.6 磁條導(dǎo)向

磁條導(dǎo)向是將具有磁性帶狀材料（下稱“磁條”）布設(shè)在AGV小車行駛的路徑上， AGV小車上安裝一行電磁開關(guān)，調(diào)節(jié)磁條與電磁開關(guān)的距離，使距離磁條較近（下文稱“近端”）的電磁開關(guān)閉合，較遠(yuǎn)的電磁（下文稱“遠(yuǎn)端”）開關(guān)斷開。當(dāng)AGV小車偏離路徑行駛時(shí)，遠(yuǎn)端電磁開關(guān)閉合，近端電磁開關(guān)打開，控制系統(tǒng)由此判斷AGV小車的偏離軌跡，近而調(diào)整AGV小車行駛姿態(tài)直到遠(yuǎn)端電磁開關(guān)打開，近端電磁閉合位置。和上文中電磁感應(yīng)式導(dǎo)向相比，磁條導(dǎo)向具磁條布設(shè)方便快捷，成本較低，更改路徑快等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)磁條鋪設(shè)在地面上，所以容易被損壞，此外，磁條導(dǎo)向容易受到周圍金屬物質(zhì)和電磁的干擾，對(duì)使用環(huán)境有較高的要求。

2 磁條導(dǎo)向的實(shí)現(xiàn)方式

磁條導(dǎo)向的實(shí)現(xiàn)方式是在垂直于磁條方向上面定距離布設(shè)電磁開關(guān)，距離保持在剛好可以觸發(fā)中間兩個(gè)電磁開關(guān)為宜。磁條間距越小，數(shù)量越多，AGV導(dǎo)向越精確，本例設(shè)置12只電磁開關(guān)，間距控制在20mm，具體如圖3所示：

圖3 磁條導(dǎo)向原理

從左至右電磁開關(guān)方向誤差標(biāo)定為：E1=-5，E2=-4，E3=-3，E4=-2，E5=-1，E6=0，E7=0，E8=1，E9=2，E10=3，E11=4，E12=5；由此可知當(dāng)方向誤差為“0”時(shí)，AGV小車行駛路徑無偏離；當(dāng)方向誤差為“負(fù)”時(shí)，AGV小車行駛路徑左偏離；當(dāng)方向誤差為“正”時(shí)，AGV小車行駛路徑右偏離。

本次設(shè)計(jì)的AGV小車方向控制系統(tǒng)采用PID控制實(shí)現(xiàn)，“方向誤差”為PID控制器輸入，PID輸出為“方向執(zhí)行輸出”?！胺较驁?zhí)行輸出”設(shè)置上下限幅，上下限幅為AGV小車的左右轉(zhuǎn)向極限角度。

根據(jù)AGV小車方向誤差，利用比例、積分、微分來計(jì)算出控“方向執(zhí)行輸出”。PID數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中y是調(diào)節(jié)輸出，e(t)是誤差，TI是積分時(shí)間常數(shù)，TD是微分時(shí)間常數(shù)，Kp是比例系數(shù)。原理如圖所示：

圖4 PlD控制原理

圖中r(t)為給定值。當(dāng)AGV直線行駛時(shí)，r(t)設(shè)定為0；當(dāng)AGV左偏移時(shí)，r(t)的設(shè)定值小于0；當(dāng)AGV右偏移時(shí)，r(t)的設(shè)定值大于0；

AGV小車在實(shí)際運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)周期性的采集電磁開關(guān)狀態(tài)，所以要對(duì)“方向誤差”做采樣，對(duì)上式進(jìn)行離散化處理如下：

3 導(dǎo)向技術(shù)展望

上文已經(jīng)介紹了各種導(dǎo)向技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，并著重介紹了磁條導(dǎo)向技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。正是因?yàn)榇艞l導(dǎo)向具有施工簡(jiǎn)單，易于控制等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中。但是具有磁條鋪設(shè)在地面上，容易被弄臟或者損壞，容易受附近金屬物的影響，對(duì)環(huán)境要求比較高等缺點(diǎn)。

視覺識(shí)別導(dǎo)向以攝像頭作為主要傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，完成全局點(diǎn)云或柵格等地圖構(gòu)建，自動(dòng)導(dǎo)向時(shí)根據(jù)事實(shí)采集的圖像匹配地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過回環(huán)檢測(cè)等方式消除累積誤差，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位目標(biāo)。但目前視覺導(dǎo)向?qū)PU處理速度要求比較高，容易受到環(huán)境光線的影響，實(shí)際使用效果不佳。隨著計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，利用攝像頭作為傳感的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展很快，基于視覺導(dǎo)向的技術(shù)依然是未來研究熱點(diǎn)，并有望在各個(gè)行業(yè)進(jìn)行大量推廣。