AGV系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其在汽車總裝車間的應(yīng)用

于海月 董欣陽

摘要：AGV已經(jīng)在倉儲物流、汽車制造、港口碼頭等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并不斷地向其他領(lǐng)域滲透。AGV系統(tǒng)具有較強(qiáng)的柔性，整個AGV系統(tǒng)既相互關(guān)聯(lián)又相對獨(dú)立，可以通過增減AGV的數(shù)量或調(diào)整AGV的速度適應(yīng)不同的生產(chǎn)節(jié)拍。對AGV的導(dǎo)航技術(shù)、定位技術(shù)、安全技術(shù)、驅(qū)動形式及供電形式做了詳細(xì)介紹，并列舉了AGV在汽車總裝車間的應(yīng)用場景，對AGV技術(shù)的發(fā)展及其在總裝車間的應(yīng)用具有一定的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)檢測；深度學(xué)習(xí)；變速器；裝配防錯

自動導(dǎo)引車（AGV，Automated Guided Vehicle）已經(jīng)在倉儲物流、汽車制造、港口碼頭等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并不斷地向其他領(lǐng)域滲透[1]。

相比傳統(tǒng)的輸送系統(tǒng)，AGV應(yīng)用于汽車總裝車間具有顯著的優(yōu)勢。首先，AGV可以自由地在連續(xù)運(yùn)行模式和步進(jìn)運(yùn)行模式間切換，兼顧快速輸送和工人作業(yè)的便利性。其次，整個系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)又相對獨(dú)立，如果系統(tǒng)中某臺AGV發(fā)生故障，可以迅速撤出或更換備用AGV，從而恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行，并大大降低故障修復(fù)時間。還有，AGV系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的柔性，通過靈活地增減系統(tǒng)中AGV的數(shù)量，或調(diào)整AGV的運(yùn)行速度，便可達(dá)到適應(yīng)不同生產(chǎn)節(jié)拍的目的[2]。

此外，AGV還可以用于車間物流配送系統(tǒng)，替代人工配送，不僅可以提高物料配送的準(zhǔn)確率和及時性，還可以提高配送效率，降低人工成本。

AGV系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.導(dǎo)航技術(shù)

（1）磁條導(dǎo)航? 即通過在地面規(guī)劃磁條來對AGV進(jìn)行路徑引導(dǎo)。磁條導(dǎo)航器讀取地面磁條磁場的變化，并將磁場強(qiáng)度的變化以模擬量-10～ +10V的形式發(fā)給車載控制器的模擬量輸入模塊，車載控制器據(jù)此對AGV舵機(jī)進(jìn)行PID控制，修正其位置偏差，以防止AGV脫軌。磁條導(dǎo)航不受室內(nèi)光線、灰塵、油污等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)航方式較為可靠，且施工周期短、成本低，便于后期路徑變更，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但磁條的磁場強(qiáng)度容易受到地面磁性物質(zhì)的干擾，導(dǎo)致磁條導(dǎo)航器采集信息偏差，致使AGV脫軌。因此，采用磁條導(dǎo)航時，地面不允許有磁性物質(zhì)或磁性物質(zhì)需均勻分布。

（2）激光導(dǎo)航? 是在AGV上安裝激光導(dǎo)航器，同時在運(yùn)行路徑沿途的墻壁或立柱上安裝激光反射板。反射板需要與激光導(dǎo)航器位于同一高度，這樣激光導(dǎo)航器發(fā)射的激光束才可以被沿途的反射板反射回發(fā)射器。激光導(dǎo)航器至少需要同時接收三個反射信號，才能夠計算出車輛當(dāng)前的方位及運(yùn)動姿態(tài)，通過與設(shè)定路徑對比進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行。激光導(dǎo)航安裝便捷，路徑易于更改，適用于倉儲物流等復(fù)雜工作路徑和工作環(huán)境。但激光導(dǎo)航器和反射板成本較高，系統(tǒng)計算和構(gòu)圖算法較為復(fù)雜。

（3）視覺導(dǎo)航? 即AGV通過車載視覺傳感器采集地面圖像信息，通過一系列圖像處理技術(shù)，得出AGV的位置信息和姿態(tài)信息，由相應(yīng)的物理模型進(jìn)行坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化。接著將位姿參數(shù)發(fā)送給運(yùn)動控制模塊，控制器根據(jù)接收到的信號控制驅(qū)動電動機(jī)，在行駛中對AGV車體進(jìn)行實(shí)時糾偏，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引跟蹤功能。AGV的導(dǎo)引精度與其運(yùn)動控制和視覺系統(tǒng)測量精度相關(guān)，而視覺系統(tǒng)檢測和識別的精確度是決定AGV導(dǎo)引精度的關(guān)鍵因素。然而在實(shí)際環(huán)境中，由于受到如光照、路標(biāo)污損、圖像遮擋等多種環(huán)境因素的影響，視覺導(dǎo)航難以達(dá)到理想的可靠性和導(dǎo)航精度。

（4）電磁導(dǎo)航? 通過在AGV的行駛路徑上鋪設(shè)感應(yīng)電纜，并加載25kHz中頻電，通過磁導(dǎo)航器識別供電電纜電磁場的變化來實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航功能。感應(yīng)電纜一方面可以作為AGV的導(dǎo)航系統(tǒng)，另一方面還可作為AGV的供電系統(tǒng)。電磁導(dǎo)航感應(yīng)電纜需要埋設(shè)到地下，感應(yīng)線路不易損壞，這使其施工成本高、工藝復(fù)雜，并且后期線路更改比較困難。電磁導(dǎo)航通常應(yīng)用在耗電量比較大的重載AGV系統(tǒng)或需要連續(xù)運(yùn)行不能進(jìn)行定點(diǎn)充電的AGV系統(tǒng)。

（5）SLAM導(dǎo)航? SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）導(dǎo)航技術(shù)融合了定位技術(shù)與地圖構(gòu)建技術(shù)。采用SLAM導(dǎo)航技術(shù)的AGV在移動過程中通過傳感器識別環(huán)境特征，通過驅(qū)動輪上的編碼器反饋實(shí)時位置信息，結(jié)合環(huán)境特征和位置信息完成地圖構(gòu)建，完成地圖構(gòu)建后，AGV可根據(jù)地圖信息自主規(guī)劃任務(wù)路徑。SLAM導(dǎo)航不需在地面或環(huán)境中安裝任何導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠適應(yīng)多種室內(nèi)和室外環(huán)境，現(xiàn)場安裝施工任務(wù)量小，任務(wù)路徑靈活，可自主規(guī)劃實(shí)時避障，通常用于室外搬運(yùn)或倉儲物流等領(lǐng)域。

2. 定位技術(shù)

（1）磁釘定位? 磁釘是一個帶有芯片和感應(yīng)線圈的圓棒，芯片里可寫入16位代碼，通常安裝在地下。磁釘讀頭通常安裝在AGV底部，用于讀取地面磁釘?shù)奈恢眯畔?。?dāng)磁釘讀頭到達(dá)磁釘?shù)恼戏綍r，磁釘?shù)母袘?yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，激活其內(nèi)部芯片，芯片產(chǎn)生脈沖將代碼傳輸給磁釘讀頭，AGV控制器通過獲取的代碼計算出AGV的實(shí)時位置。磁釘是通過感應(yīng)線圈獲得能量，因此不需要電源或電池。磁釘配備的是EEPROM芯片，后期可以根據(jù)需要擦寫，最多重復(fù)寫入次數(shù)高達(dá)10萬次。磁釘定位技術(shù)允許AGV的最大速度為2m/s，其定位精度通常可達(dá)到±5mm以內(nèi)。

（2）二維碼定位? 一種用數(shù)據(jù)矩陣代碼進(jìn)行精確定位的定位系統(tǒng)。它由一個帶內(nèi)置照明裝置的2D相機(jī)和數(shù)據(jù)矩陣碼帶構(gòu)成，2D相機(jī)讀取并解碼印碼帶上的位置標(biāo)記，即二維數(shù)據(jù)矩陣代碼。2D相機(jī)的視窗可達(dá)120mm×80mm，在單次讀取操作中，寬大的讀取窗口可同時讀取5個數(shù)據(jù)矩陣碼來提供額外的冗余。即使多個數(shù)據(jù)矩陣碼被污染或損壞，定位系統(tǒng)也能確保實(shí)現(xiàn)可靠的定位，因此其抗干擾能力非常強(qiáng)，即使75mm的無碼帶間隙，也不會影響其定位功能。二維碼定位技術(shù)允許AGV的最大速度為8m/s，其定位精度通?？蛇_(dá)到±2mm以內(nèi)。

3. 安全技術(shù)

（1）激光掃描儀? AGV車體上可根據(jù)需要安裝一個或多個激光掃描儀，并可根據(jù)環(huán)境復(fù)雜性設(shè)置多個可切換保護(hù)區(qū)域。通過定義不同的保護(hù)區(qū)域，AGV可以在遇到障礙物時自動減速或停止，保障設(shè)備和人員安全。

（2）安全觸邊? ?安全觸邊由橡膠外套、內(nèi)部導(dǎo)電層和鋁合金底座組成。當(dāng)外界有障礙物碰撞到安全觸邊時，橡膠外套變形，擠壓內(nèi)部兩個導(dǎo)電層，使其相互接觸導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，通過電阻變化，安全觸邊向控制單元發(fā)送信號。車載控制器將切斷電動機(jī)電源，實(shí)現(xiàn)AGV安全停機(jī)，保障設(shè)備和人員安全。

（3）安全速度監(jiān)控? 安全速度監(jiān)控是通過在AGV驅(qū)動輪上安裝安全編碼器實(shí)現(xiàn)的。安全編碼器通過ProfiNet連接到安全主控器。通過該功能，可以時刻監(jiān)控AGV的實(shí)際運(yùn)行速度，防止AGV因電動機(jī)速度異常而失控。同時，AGV的速度可以被限制在一個安全范圍內(nèi)，并在不同速度下切換合理的激光掃描區(qū)域。

（4）急停按鈕? AGV的急停按鈕通常裝在四角或靠近車頭車尾的位置，容易識別且易于接近。AGV上任意急停按鈕被按下，AGV將立即停止。

（5）指示燈? 為了便于人員視覺識別，AGV上還安裝有聲光報警指示燈，在AGV啟動、加速、減速、阻塞及故障的情況下發(fā)出聲光報警，便于附近人員識別AGV工作狀態(tài)，減少安全事故發(fā)生的可能性。

4. 驅(qū)動形式

按照驅(qū)動的數(shù)量，可以分為單驅(qū)動、雙驅(qū)動和多驅(qū)動。其中雙驅(qū)動AGV可分為雙舵AGV和差速AGV。常見的底盤布置形式如圖1所示。

1）單驅(qū)動AGV車體由一個舵輪和兩個定向輪組成，俗稱三輪車結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的AGV轉(zhuǎn)彎半徑小，但只能實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動，如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，而不能實(shí)現(xiàn)后退功能。另外，由于其只有車頭一個舵輪，其對車尾的控制精度也比較差。單舵AGV通常用于輕載或停位精度要求不高的場合。

2）雙舵AGV由兩個舵輪和兩個以上萬向輪組成，從而可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎及自旋等全方位運(yùn)動，控制精度高，但成本也較高。雙舵AGV通常用于定位精度要求高、空間狹小或需要實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動的場合。差速AGV由兩個固定的驅(qū)動輪及2個以上萬向輪組成，通過左右兩個驅(qū)動輪的速度差來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎及自旋運(yùn)動。與舵輪驅(qū)動AGV不同，差速AGV的運(yùn)動方向是由兩個驅(qū)動輪的差速決定的，因此地面平整度、驅(qū)動輪是否打滑等對控制精度影響較大。此外，由于驅(qū)動輪和AGV底盤是剛性連接，AGV在運(yùn)動過程中車體會有明顯的擺動現(xiàn)象。

3）多舵輪AGV是由兩個以上舵輪組成，與雙舵AGV一樣，可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎及自旋等全方位運(yùn)動。通常用于載荷較大或AGV車體尺寸較長的場合。

5. 供電形式

（1）電池供電? 電池供電應(yīng)用比較廣泛，絕大部分AGV均采用電池供電方式。其特點(diǎn)是需要為AGV設(shè)立充電站，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)充電。AGV通常采用磷酸鐵鋰電池供電，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)阻低、可靠性高、容量高及工作壽命長，可實(shí)現(xiàn)大電流快速充電，正常循環(huán)使用壽命高達(dá)1500次。電池由電池模組及電池管理系統(tǒng)組成。電池管理系統(tǒng)具有過充過放保護(hù)、充電放電過流保護(hù)、MOS溫度保護(hù)、電芯溫度保護(hù)、短路保護(hù)及低電量報警等功能，并可以與PLC進(jìn)行通信，從而監(jiān)控電池狀態(tài)。

（2）感應(yīng)供電? ?通常用在重載AGV或連續(xù)運(yùn)行的AGV系統(tǒng)中，其特點(diǎn)是AGV可以在運(yùn)行的同時連續(xù)地充電。AGV車體底部裝有Pickup取電板，可通過無接觸方式從感應(yīng)供電線路獲得電能，經(jīng)車載電源轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為DC500V電源，供動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)使用。

（3）感應(yīng)供電+UPS? 在感應(yīng)供電的基礎(chǔ)上，配備UPS電源管理系統(tǒng)和備用電池。UPS電源管理系統(tǒng)能夠根據(jù)AGV電源的實(shí)際情況，智能分配感應(yīng)電源（DC500V）供電或內(nèi)置電池電源（DC48V）供電。如圖2所示，在正常情況下，感應(yīng)電源是AGV的主要電源，UPS管理系統(tǒng)能夠在監(jiān)控感應(yīng)電源狀態(tài)的同時，將多余電量為電池充電。當(dāng)UPS檢測到感應(yīng)電源斷開或者出現(xiàn)故障時，可將AGV的主要電源在線切換為電池供電，由電池提供的電能依然能保證AGV繼續(xù)正常運(yùn)行。

AGV在汽車總裝車間的應(yīng)用

在汽車總裝車間，AGV主要應(yīng)用于線邊物料配送、白車身轉(zhuǎn)運(yùn)、各類分裝線、電池和底盤合裝線及內(nèi)飾裝配線等。

常見的車間線邊物料配送是人工+料車的方式。由于人為因素的存在，物料配送的效率較低，錯配率較高，且配送的實(shí)時性較低。采用AGV線邊物料配送，不僅可以降低人力成本，還可以提高物料配送的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，提高物流配送的效率，并可以實(shí)現(xiàn)物料的實(shí)時動態(tài)跟蹤[3]。與人工配送相比，AGV上還配備安全防護(hù)設(shè)備，可以避免由人為因素所帶來的安全隱患。

傳統(tǒng)的底盤合裝一般采用升降滾床+吊具的形式，由于托盤無法知道自身的實(shí)時位置，難以實(shí)現(xiàn)與EMS同步運(yùn)行，故只能進(jìn)行定點(diǎn)合裝。而采用AGV進(jìn)行底盤合裝則不同，AGV上裝有同步相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)與EMS的實(shí)時同步，工人可站在AGV踏臺上，在AGV與EMS連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下完成合裝操作，作業(yè)效率較高。此外，合裝AGV上用于前后副車架合裝的剪臺是相對獨(dú)立的，通過剪臺的間距調(diào)整可適應(yīng)不同軸距的車型，從而實(shí)現(xiàn)多車型混線生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的分裝線形式有輥道輸送、滾床輸送、輕載摩擦線等。在分裝線上，滾床和輥道是連續(xù)鋪設(shè)的，線體有多長，滾床和輥道就需要有多長，因此需要永久性占用地面空間；輕載摩擦線在空中架設(shè)軌道，施工安裝和后期維護(hù)都不便利。用AGV輸送替代傳統(tǒng)的分裝線輸送形式，可以節(jié)省地面的占用空間，前期安裝和后期維護(hù)、改造都比較方便。通常主線兩邊都是物流通道，用AGV輸送可以直接將分裝線的工件跨過物流通道輸送到主線。

目前，主流車企的內(nèi)飾線一般都采用滑板形式輸送，若線體出現(xiàn)故障，則可能導(dǎo)致長時間停線。采用AGV輸送，如果其中一臺AGV出現(xiàn)故障，可以將其從線體中移出或切換備用AGV，而不至于導(dǎo)致長時間停線。

總的來看，隨著AGV技術(shù)的發(fā)展與普及，AGV在總裝車間也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

結(jié)語

隨著智能化的推進(jìn)，AGV已經(jīng)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從簡單的物流配送，到零部件的分裝，再到底盤和電池合裝線，進(jìn)而延伸至主線車身輸送，如白車身輸送、內(nèi)飾裝配線等。每個AGV都是一個獨(dú)立的個體，而AGV系統(tǒng)是由多個獨(dú)立的個體組成，整個系統(tǒng)相關(guān)關(guān)聯(lián)又相對獨(dú)立，使得整個系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。AGV輸送已經(jīng)逐漸對傳統(tǒng)的輸送形式產(chǎn)生了較大的沖擊，相信隨著AGV技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的汽車裝配輸送線將更加智能、更加靈活[4]。

參考文獻(xiàn)

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[3] 賈晨曦. AGV的路徑規(guī)劃與調(diào)度在智能制造中的研究與應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)，2021.

[4] 陳洪波. AGV在物流行業(yè)中的發(fā)展前景與市場應(yīng)用[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2015（6）：39-40.