AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自動導引小車，它是一種以電池為動力，裝有非接觸導向裝置和獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動化搬運車輛。其系統(tǒng)技術和產品已經成為柔性生產線、柔性裝配線、倉儲物流自動化系統(tǒng)的重要設備和技術。

  一、 AGV系統(tǒng)

  AGV控制系統(tǒng)分為地面（上位）控制系統(tǒng)及車載（下位）控制系統(tǒng)，其中，地面控制系統(tǒng)指AGV系統(tǒng)的固定設備，主要負責任務分配，車輛調度，路徑（線）管理，交通管理，自動充電等功能；車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，負責AGV的導航計算，導引實現(xiàn)，車輛行走，裝卸操作等功能。系統(tǒng)硬件配置如圖6-1所示：

AGV系統(tǒng)硬件配置

  二、 AGV的關鍵技術及發(fā)展概況

  曾有國外專家對AGV控制系統(tǒng)需解決的主要問題做了恰當的比喻：Where am I?（我在哪里？）Where am I going?（我要去哪里？）How can I get there?（我怎么去？），這三個問題歸納起來分別就AGV控制系統(tǒng)中的三個主要技術：AGV的導航（Navigation），AGV的路徑規(guī)劃（Layout designing），AGV的導引控制（Guidance）。

  1. AGV的導航技術

  AGV之所以能夠實現(xiàn)無人駕駛，導航和導引對其起到了至關重要的作用，隨著技術的發(fā)展，目前能夠用于AGV的導航/導引技術主要有以下幾種：

  1) 直接坐標（Cartesian Guidance）

  用定位塊將AGV的行駛區(qū)域分成若干坐標小區(qū)域，通過對小區(qū)域的計數實現(xiàn)導引，一般有光電式（將坐標小區(qū)域以兩種顏色劃分，通過光電器件計數）和電磁式（將坐標小區(qū)域以金屬塊或磁塊劃分，通過電磁感應器件計數）兩種形式，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)路徑的修改，導引的可靠性好，對環(huán)境無特別要求。缺點是地面測量安裝復雜，工作量大，導引精度和定位精度較低，且無法滿足復雜路徑的要求。

  2) 電磁導引（Wire Guidance）

  電磁導引是較為傳統(tǒng)的導引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV的行駛路徑上埋設金屬線，并在金屬線加載導引頻率，通過對導引頻率的識別來實現(xiàn)AGV的導引。其主要優(yōu)點是引線隱蔽，不易污染和破損，導引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無干擾，制造成本較低。缺點是路徑難以更改擴展，對復雜路徑的局限性大。

  3) 磁帶導引（Magnetic Tape Guidance）

  與電磁導引相近，用在路面上貼磁帶替代在地面下埋設金屬線，通過磁感應信號實現(xiàn)導引，其靈活性比較好，改變或擴充路徑較容易，磁帶鋪設簡單易行，但此導引方式易受環(huán)路周圍金屬物質的干擾，磁帶易受機械損傷，因此導引的可靠性受外界影響較大。

  4) 光學導引（Optical Guidance）

  在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶，通過對攝像機采入的色帶圖象信號進行簡單處理而實現(xiàn)導引，其靈活性比較好，地面路線設置簡單易行，但對色帶的污染和機械磨損十分敏感，對環(huán)境要求過高，導引可靠性較差，精度較低。

  5) 激光導航（Laser Navigation）

  激光導引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過激光掃描器發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當前的位置和航向，并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導引。此項技術最大的優(yōu)點是AGV定位精確、地面無需其他定位設施、行駛路徑可靈活多變、能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國外許多AGV生產廠家優(yōu)先采用的先進導引方式；缺點是制造成本高，對環(huán)境要求較相對苛刻（外界光線，地面要求，能見度要求等），不適合室外（尤其是易受雨、雪、霧的影響）。

  6) 慣性導航（Inertial Navigation）

  慣性導航是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號（角速率）的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和航向，從而實現(xiàn)導引。此項技術在軍方較早運用，其主要優(yōu)點是技術先進，較之有線導引，地面處理工作量小，路徑靈活性強。其缺點是制造成本較高，導引的精度和可靠性與陀螺儀的制造精度及其后續(xù)信號處理密切相關。

  7) 視覺導航（Visual Navigation ）

  對AGV行駛區(qū)域的環(huán)境進行圖象識別，實現(xiàn)智能行駛，這是一種具有巨大潛力的導引技術，此項技術已被少數國家的軍方采用，將其應用到AGV上還只停留在研究中，目前還未出現(xiàn)采用此類技術的實用型AGV。可以想象，圖象識別技術與激光導引技術相結合將會AGV更加完美，如導引的精確性和可靠性，行駛的安全性，智能化的記憶識別等都將更加完美。

  8) GPS（全球定位系統(tǒng)）導航（Global Position System）

  通過衛(wèi)星對非固定路面系統(tǒng)中的控制對象進行跟蹤和制導，目前此項技術還在發(fā)展和完善，通常用于室外遠距離的跟蹤和制導，其精度取決于衛(wèi)星在空中的固定精度和數量，以及控制對象周圍環(huán)境等因素。

  對國外十幾家AGV公司27個系列產品所采用的主要導向技術的統(tǒng)計結果顯示，電磁感應、慣性導航、光學檢測、位置設定、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，電磁感應導向技術的應用比例最高，這表明該項技術已經十分成熟。而機器視覺導向技術應用較少，說明該項技術還需要深入研究和不斷完善。另外，自主導航技術仍然處在研究階段，還有許多技術問題需要解決。

  對幾種常用的導引方式做簡單的比較如圖所示：

導引方式的比較和選擇

  2. AGV 路徑規(guī)劃

  隨著柔性制造系統(tǒng)的廣泛應用和物流自動化運輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，AGV技術得到了快速發(fā)展。從一開始對單臺AGV的研究，發(fā)展到了對多AGV組成的物流系統(tǒng)的研究。而多AGV的路徑規(guī)劃作為直接影響多AGV系統(tǒng)整體性能的重要部分，一直倍受廣大學者的關注。隨著研究的深入，國內外學者提出了很多計算模型和策略。

  韓國的Jung Hoon Lee等人將兩階段的交通控制策略應用于多AGV的無碰規(guī)劃，劉國棟等提出了多AGV調度系統(tǒng)中的兩階段動態(tài)路徑規(guī)劃的方法。兩階段控制策略離線生成路徑庫，減少了在線運算的負擔，但是隨著節(jié)點數的增多，動態(tài)規(guī)劃的負擔加重，不適用于大規(guī)模多AGV系統(tǒng)。其他如Petri網，遺傳算法，Tabu Search算法（禁忌搜索算法）等策略和算法，在系統(tǒng)節(jié)點數增多的情況下，也有同樣的缺陷。

  為了有效地共享系統(tǒng)路徑，時間窗(Time-window)方法被提出并用于解決多AGV最優(yōu)路徑問題。然而使用時間窗實現(xiàn)多AGV路徑規(guī)劃也是一個NP完全問題，并且在使用時間窗的模型中，獲得時間窗的AGV占用路徑時間過長，容易導致關鍵路段發(fā)生擁堵，降低系統(tǒng)效率。

  1) 靜態(tài)環(huán)境中確定AGV 路徑規(guī)劃

  AGV 路徑規(guī)劃在智能控制系統(tǒng)中具有重要作用， 對于保證工作的安全性來說具有重要意義。一直以來，很多學者都對此進行孜孜不倦的探索，這也是機器人學中最新最熱的內容之一。主要研究的是在障礙物的環(huán)境下，機器人如何尋找到目標，也就是選擇合適的路徑規(guī)劃。智能控制下的AGV 路徑規(guī)劃較為重要的兩種形態(tài)，靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃以及動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。

  靜態(tài)環(huán)境下的路徑規(guī)劃是假定在環(huán)境信息未被完全掌握的情況下，機器人是通過怎么樣的路徑感知環(huán)境，并且運用局部區(qū)域傳播算法。因此這種路徑一般會在環(huán)境中僅存在靜態(tài)已知障礙物的情況下被采用。但是要分析靜態(tài)環(huán)境中AGV 路徑規(guī)劃，需要解決的一個問題是在這種環(huán)境中什么樣的路徑才能夠被認為是合理的。

  總而言之，能夠使AGV 系統(tǒng)實現(xiàn)控制的就是合理路徑。合理的路徑由路徑的平滑程度決定，路徑越趨于平緩，則AGV 系統(tǒng)將會更容易實現(xiàn)。此時可以將路徑分為四個種類，第一類平滑程度非常低，表現(xiàn)為路徑的不連續(xù)性，此時很多存在位置會表現(xiàn)突變的特性， 這種情況下AGV 系統(tǒng)不容易被控制，因為這些曲線不連續(xù)，無法對其追蹤。第二類，這類曲線相對于第一種來說具有連續(xù)性，但是在切線方向有時也會發(fā)生突變現(xiàn)象。此時也不能夠被AGV 系統(tǒng)控制。第三類，這類曲線不僅具有連續(xù)性的特點， 而且還能在切線方向保持連續(xù)性，因此是較為合理的路徑規(guī)劃，一般情況下也常常被采用。第四類，將以上三類曲線的優(yōu)點都集于一身，但是要生產這類曲線十分復雜，因此在實踐當中，這類曲線很難被采用。

  2) 動態(tài)環(huán)境中確定的路徑規(guī)劃

  在動態(tài)復雜環(huán)境的中的路徑規(guī)劃不同于靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。因為環(huán)境變化之后，很多信息無法被掌握，要保證最優(yōu)性在這種情況下是無法被實現(xiàn)的。在進行路徑規(guī)劃時，應當在安全性以及時間性之間進行衡量。在較為復雜的環(huán)境下，不管決定適用何種性能指標，都必須要考慮目標吸引、動態(tài)安全性以及時間約束三個方面的內容。

  3. AGV的導引

  AGV的導引（Guidance）是指根據AGV導航（Navigation）所得到的位置信息，按AGV的路徑所提供的目標值計算出AGV的實際控制命令值，即給出AGV的設定速度和轉向角，這是AGV控制技術的關鍵。簡單看來，AGV的導引控制就是AGV軌跡跟蹤。這對有線式的導引（電磁，磁帶等導引方式）不會有太多的問題，但對無線式的導引（激光，慣性等導引方式）卻不是一件容易的事。

AGV運行的路徑軌跡

  AGV的路徑規(guī)劃是根據AGV運行的實際環(huán)境設計出AGV運行的路徑軌跡，AGV單機按照地面控制系統(tǒng)下發(fā)的段表中的路徑（段）屬性自動行駛。AGV的導引控制算法就是解決段表下發(fā)后AGV的參考點如何沿著既定軌跡行走，一般需要實現(xiàn)直線段和四次方曲線的導引控制。對于不同驅動方式的AGV來說，由于它的運動學模型不一樣，對應的導引控制算法也是不同的。這里簡單討論SD（Steer Driving）型AGV的導引算法：

  我們的控制目標是AGV的參考點，目的是使AGV能很好地沿著既定軌跡行走。對SD型AGV來說，可以控制的只有AGV前輪的轉角和速度，通過運動模型可知：參考點的運行軌跡只和前輪的轉向角有關，所以，要實現(xiàn)對參考點軌跡跟蹤的控制，實際上就是對前輪轉向角的控制。

  在具體的設計過程中，利用一種“追蹤導引方法”，即在AGV的運行過程中參考點始終追蹤著路徑軌跡上的虛擬點，這個虛擬點就像在賽狗時所用到的兔子，AGV永遠追不上，但又永遠在AGV前面不遠的地方；AGV前進的方向始終指向虛擬點，通過這樣周期性的調節(jié)，就可以使AGV以很小的誤差沿著路徑軌跡行走。

  三、 總結

  AGV系統(tǒng)是集光、機、電、計算機于一體的高新技術，是柔性化、智能化程度極高的輸送系統(tǒng)。AGV 技術仍在發(fā)展中,隨著現(xiàn)代高科技的進步,AGV 的性能與功能都將不斷得到提高。AGV系統(tǒng)由于自身的技術優(yōu)勢,將適合更為廣泛的工業(yè)或非工業(yè)需求,得到越來越廣泛的應用。