自动导引车导引技术研究现状与发展趋势

作者：王皖君 张为公

欢迎访问e展厅 展厅 4 自动搬运车/拖车展厅 AGV/平板搬运车, 牵引车/拖车, ... 引言 自动导引车(automated guided vehicle，AGV)在柔性制造业、物流业以及自动化仓储中具有广泛的应用前景，通常以蓄电池为动力，并装有非接触导引装置，在计算机控制和导引装置辅助下，能准确到达目的地。导引技术是AGV的核心技术之一，AGV的导引技术如激光导引，惯性导引，图像识别导引，GPS/GIS导引与航空、航天、航海、导弹等军工技术相关或相近，有一定的技术高度。AGV导引技术研究必须把握正确的技术路线和主流技术的发展趋势，本文对现有的AGV导引技术做较详尽的说明和分析，介绍了目前国内外AGV导引技术的开发、研究和使用情况，并从工程实践的角度出发，分析了各种导引技术的优缺点，提出了AGV导引技术的研究方向。 1 研究现状 AGV导引技术主要有电磁感应导引、激光导引、视觉导引、惯性导引、超声波导引和磁钉等，这些导引方式按有无导引路线分为3种：固定路一陀螺导引线方式、半固定路线方式和自由路线方式。 1.1 电磁感应导引 电磁感应导引是应用最多最成熟的一种方式，属于固定路线方式。它是在AGV的行驶路径上埋设专门的电缆线，并加载低频、低压导引电流，从而在电缆周围产生磁场，AGV上的电磁感应传感器检测磁场强度，并送出AGV沿线路行走时感应出来的磁场强度差动信号，车载控制系统根据该信号进行纠偏控制，实现AGV的导引。 路径的分支与汇合的识别一般有如下几种方法：通过切换电磁感应传感器的工作频率以获取表征分支与汇合的信息(一般并行埋设多条通有不同频率电流的电缆)；由控制台将信号源切换到不同的电缆线上以导引行车路线；电磁锁相导引方法和编码脉冲法。前两种方法由于需要切换传感器组或电缆中的电流频率，以便对应不同的频率，需要相应的机构和电气方面的附属装置，将增加系统的复杂性和故障率，同时也加大了系统的成本。电磁锁相导引方法，又称分时复频选择法，即在一条路径上埋设多根电缆，导引装置某一时刻只能接收到某一频率的信号，如果是所要接收的频率信号，则进行采样，否则，继续检测，但频率的数目有限制，因为频率数越多，巡回检测周期就越长，容易导致AGV失控。分时复频选择法使导引系统的电路设计大大简化，提高了系统的易实现性及其可靠性。编码脉冲法只用单一频率的信号源，只用一条导引电缆来指示运行路径，道路交叉点信息由编码脉冲装置产生，当小车沿通电导线行走时，差动式电磁感应传感器系统仅用于检测小车是否偏离了导线路径，在适路交叉点附近设置一个编码脉冲发生装置，当小车进入信号有效区域后，接收装置就可以收到该编码信息，该方法简化了系统的复杂度，提高了可靠性，降低了系统成本。 除变频电磁感应埋线导引外，还有磁场强度固定的磁带和磁钉导引方式，其导引原理也是通过AGV上对称设置的2只电磁感应传感器检测车辆相对运行路径的偏离程度来引导车辆。电磁感应导引主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单可靠，便于控制和通信，无声光干扰，制造成本较低；其主要缺点是路径的复杂性有限，且扩充或更改路径很麻烦，感应线圈对周围的铁磁物质较敏感，易受干扰。 1.2 激光导引 激光导引是在AGV行驶路径的周围布置安装位置精确的反射板，通过AGV上的激光扫描器发射激光束，并同时采集从不同角度的反射板反射回来的信号，来确定当前的位置和方向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引，属于半固定路线方式。 激光扫描器一般安装在AGV的较高位置，且高度与反射板相匹配，它利用脉冲激光器发出激光并通过一个内部反射镜以一定的转速旋转，不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先设定好的反射板时，其反射光线就会被AGV自身的激光传感器“看到”。AGV行驶过程中，只要扫描到3个或3个以上的反射板，即可根据它们的坐标值和每个反射板相对于车体的距离与角度。由定位计算机算出AGV当前在全局坐标系中的坐标(X，Y)和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角，实现准确定位和定向，从而引导AGV按照预先设定的路线运行。 近年来，激光导引传感器已产业化，瑞典NDC电子有限公司的激光导引装置采用了GaAs脉冲激光器，旋转扫描速率为10r/s，定位标志的可见距离通常是大于30m。美国丹纳赫传动公司的LS5导航器的旋转速率为20r/s即每隔50ms测量和计算一次AGV的绝对位置坐标，定位精度在2cm以内。德国SICK公司也推出了激光导航定位系统NAV200。 激光导引最大的优点是AGV定位精确、地面无需其他定位设施、能够适应复杂的路径条件及工作环境、能快速变更行驶路径和修改运行参数，是目前国内外许多AGV生产厂家关注采用的导引方式；缺点是价格较贵，我国还没有此项完整的民用技术。 1.3 视觉导引 视觉导引主要是利用CCD/CMOS图像传感器获取AGV周围的图像，通过实时的机器视觉处理来确定AGV的运动方式，这种导引方式有固定路线和自由路线2种。固定路线方式一般情况下都将图像传感器安装到AGV的顶部，视野为AGV前方的地面，并在行驶路径上涂漆或粘贴色带，AGV实时地根据图像识别出导引线，并沿着它的路线前进。这种方式精度很高，而且，图像传感器价格低廉，对场地的要求不高，非常适合一些特殊的场合。但固定路线方式在地面上画的引导线必须是标准的形式，否则，视觉导引系统可能不能识别。如果AGV想改变路径，必须在地面上重新画导引线，灵活性较差。 自由路径方式对AGV行驶区域的环境进行图像识别，实现无固定路线的智能化行驶。目前，世界各国都在研究利用多图像传感器，从不同的角度获取图像，利用机器视觉整合出立体的影像，通过图像识别引导，不仅可以识别周围环境，还可以测出物体的距离。这是一种具有长远发展潜力的技术，目前，只有极少数国家的军方试用，将其应用到普通AGV上还有较长的距离。 视觉导引具有检测范围宽、信息容量大(结构化或者非结构化道路环境均能提供丰富的信息)、类似于人工驾驶决策等诸多优势，随着图像传感器和微处理器的飞速发展，视觉导引以低廉的价格、较高的精度和灵活性，受到了高度的重视，成为当前研究较多的导引技术。视觉导引的不足之处在于光线的变化对机器视觉影响很大，在光照条件不好或无光照的情况下单纯依靠视觉无法保证能够进行可靠的检测与导引。 1.4 惯性导引 惯性导引与航天、航海中使用的惯性导引系统的工作原理一样，是一种自由路线的导引方式。AGV惯性导引系统通过惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)配合，从而达到导引目的。理论上，利用GPS可以得到AGV的绝对精确位置，完全可以实现对户外AGV的导引。但是，在仓库、车间内，由于建筑物的遮挡，GPS经常会出现信号不好，甚至丢失的现象，这时就需要IMU继续为AGV导引；另一方面，IMU由多组陀螺和加速度计构成，分别可以测量车体的转动角加速度和平移加速度，据此，就可计算出小车距参考点的距离和姿态。这种方法需对各加速度进行双积分，而由于成本的关系在AGV上不可能采用高精度的加速度计和陀螺仪，所以，这种方法的定位误差亦将随小车运行距离的增加而变得很大，必须隔一定距离，就用绝对定位的方法(如GPS)更新其位姿信息。 惯性导引方式灵活性很强，便于组合和兼容，不需要事先固定路线，与射频识别(RFID)标签相结合的技术有较大应用前景；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使用寿命密切相关。 1.5 超声波导引 超声波导引类似于激光导引，不同之处在于不需要设置专门的反射板，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行导引，因而，在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案，属于自由路线方式，但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难。超声波导引较多用于集装箱码头，利用规则摆放的集装箱反射超声波，可以很好地达到自动导引的目的，而且，价格十分低廉，定位精度为±100mm。 1.6 磁钉一陀螺导引 磁钉一陀螺导引方式利用磁传感器检测安装在地面上的磁钉，再利用陀螺仪技术连续控制AGV的运行方向，该引导方式需要在沿引导路径的地面上每隔5—10m安装一对磁钉。磁传感器是基于微处理器、利用霍尔元件检测磁场的传感器，当AGV通过路面上的磁钉时，传感器给出AGV的坐标(X，Y)；陀螺仪是一种固态六轴角速率传感器，其输出电压与其敏感轴上的转速成正比，由此确定AGV的运行方向。如果采用高质量元件，磁钉一陀螺引导系统具有很高的精度。采用标准元件可大幅度降低成本，其成本比电磁感应引导式低很多，这种引导方式适用于不能埋设引导电缆的场合。 2 发展趋势 2.1 低成本、小型化和高可靠性的导引技术 开发高性价比的导引传感器将是一个重要的研究方向，以期从元器件级别来提高导引可靠性。如对于视觉导引，应开发能够适应大动态光线范围的CCD，以满足户外道路环境的要求，为保证视觉导引的实时性和鲁棒性，可以采用高性能的硬件设备，但研究高效的识别算法也是至关重要的。对于惯性导引，近年来随着微机电系统(MEMS)技术的快速发展，深入研究低成本的硅微陀螺、硅微加速度计和微型惯性测量组合等，使其性能和可靠性不断的提高，以满足车载惯性导引领域的巨大需求。 2.2 组合导引 不同的导引方式所提供的信息在表现形式、采样频率以及时空特性上都有所不同，从不同方面反映AGV的导引状态，例如：GPS能够提供AGV的二维空间位置和速度等信息，视觉导引能够测量车辆相对道路中心的位置，为使这些具有互补性或冗余性的导引方式得以最大限度地综合利用，避免单一导引方式的工作盲区，需要深入研究各种导引技术的工作机理，进而建立适当的多传感器组合导引模型，使导引系统具有系统级的故障自诊断、隔离和容错能力，适应复杂环境下的可靠性导引要求。 2.3 信息融合方法研究 目前，在导引领域研究和应用的信息融合方法主要有Kalman滤波、贝叶斯估计法与D-S证据推理等，其中以Kalman滤波最广。Kalman滤波具有良好的实时性，但它是建立在严格的数学模型的基础上，当导引模型存在较大建模误差或者系统特性发生变化时往往会导致滤波发散。为提高滤波算法的鲁棒性和自适应能力，可针对AGV的导引要求与特点，研究适当的自适应Kalman滤波算法、鲁棒滤波算法(如，H∞滤波)或智能滤波(如模糊推理、神经网络以及专家系统)方法等。 3 结束语 低成本、高可靠性的导引技术是实现AGV的前提和基础，一直是AGV厂家和研究人员的研究重点和难点，导引技术研究必须把握世界主流技术发展的趋势。本文归纳了现有的各种导引技术的特点与不足，探讨了AGV导引技术未来的发展方向和主要研究内容。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/26/2012)