AGV技术在汽车行业的应用

AGV是自动导引运输车（Automated Guided Vehicle）的英文缩写，是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车，AGV是轮式移动机器人（WMRWheel Mobile Robot）的特殊应用。

AGV是一种以电池为动力，装有非接触导航（导引）装置的无人驾驶车辆。它的主要功能表现为能在计算机监控下，按路径规划和作业要求，精确地行走并停靠到指定地点，完成一系列作业功能。AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。因此，在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产，人们形象地把AGV称作是现代物流系统的动脉。

AGV最早出现在20世纪50年代的美国， 到20世纪的80年代，在全球范围内的各行业装备了数万台AGV，至今已更为普遍；主要制造商分布在欧洲及美国、日本等发达国家。目前AGV已经普遍运用于国内的装备制造领域，并在烟草生产物流领域运用广泛，近年来，有的外资系统集成商还推出了运用AGV技术的商品拣选方案。

AGV的系统构成

AGV控制系统分为地面（上位）控制系统及车载（下位）控制系统，其中，地面控制系统指AGV系统的固定设备，主要负责任务分配，车辆调度，路径（线）管理，交通管理，自动充电等功能；车载控制系统在收到上位系统的指令后 ，负责AGV的导航计算，导引实现，车辆行走，装卸操作等功能。系统硬件配置如图1所示。

AGV系统是一套复杂的控制系统，加之不同项目对系统的要求不同，更增加了系统的复杂性，因此，系统在软件配置上设计了一套支持AGV项目从路径规划、流程设计、系统仿真到项目实施全过程的解决方案。上位系统提供了可灵活定义AGV系统流程的工具，可根据用户的实际需求来规划或修改路径或系统流程；而下位系统也提供了可供用户定义不同AGV功能的编程语言，见图2。

曾有国外专家对AGV控制系统需解决的主要问题做了恰当的比喻：Where am I? （我在哪里？）Where shall I go?（我该去哪里？） How can I get there?（我怎么去？），这三个问题归纳起来分别就是AGV控制系统中的三个主要技术：AGV的导航（Navigation），AGV的路径规划（Layout designing），AGV的导引控制（Guidance）。

AGV的导航

AGV导航的准确信息来自地面固定的靶标（定位块或激光反射板等），称之为AGV的“实际位置”，但通常限于场地条件及定位传感器条件的限制，实际位置信息的实时性不能满足AGV运动控制的需要，为此在实际位置采样的周期内还须进行位置估算。

AGV的实际位置是指根据地面固定靶标计算而得到的实际位置信息，其精度取决于靶标的测量精度。

AGV的理想位置是指在理想状态下的位置，由AGV的路径轨迹方程所确定。

AGV的估算位置是指在实际位置的采样周期内，通过AGV当前速度和转向角信息对位置进行估算所得到的位置。

估算位置是真正用于AGV导引控制的，而实际位置只是定期对估算位置进行修正，导航所需解决的问题就是根据AGV的运动模型，估算出AGV的当前位置及估算位置。见图3。

AGV的路径规划

AGV的地面控制系统需解决的问题是对多台AGV进行有效的控制，对各种任务进行优化排序，对AGV的分配及行驶的路径进行动态分配，实现智能的交通管理。

AGV的路径（轨迹）是由段和点构成的，不同的段有不同的属性，明确了AGV在该段行驶的速度及航向。AGV所能行驶的段是由地面控制系统统一下发的，AGV本身并不知道自己将要去哪里，只是机械地根据所在段的信息来运行，因此，AGV的所有交通管理是由地面控制系统完成的。

地面控制系统根据所需执行的任务，以及各台AGV所处的当前位置来优化车辆的分配。这种优化计算是连续进行的：当选择了某台AGV后，任务并没有真正分配给它，在它的行驶期间，可能选择更优化的AGV来完成此项任务，只有当某台AGV行驶到目标点的前一点时，才会真正得到此项任务。

AGV的导引

AGV的导引（Guidance）是指根据AGV导航（Navigation）所得到的位置信息，按AGV的路径所提供的目标值计算出AGV的实际控制命令值，即给出AGV的设定速度和转向角，这是AGV控制技术的关键。简单看来，AGV的导引控制就是AGV轨迹跟踪。这对有线式的导引（电磁、磁带等导引方式）不会有太多的问题，但对无线式的导引（激光、惯性等导引方式）却不是一件容易的事。

AGV的路径规划是根据AGV运行的实际环境设计出AGV运行的路径轨迹，AGV单机按照地面控制系统下发的段表中的路径（段）属性自动行驶。AGV的导引控制算法就是解决段表下发后AGV的参考点如何沿着既定轨迹行走，一般需要实现直线段和四次方曲线的导引控制。对于不同驱动方式的AGV来说，由于它的运动学模型不一样，对应的导引控制算法也是不同的。这里简单讨论SD（Steer Driving）型AGV的导引算法：

系统控制目标是AGV的参考点，目的是使AGV能很好地沿着既定轨迹行走。对SD型AGV来说，可以控制的只有AGV前轮的转角和速度，通过运动模型可知：参考点的运行轨迹只和前轮的转向角有关，所以，要实现对参考点轨迹跟踪的控制，实际上就是对前轮转向角的控制。

在具体的设计过程中，利用一种“追踪导引方法”，即在AGV的运行过程中参考点始终追踪着路径轨迹上的虚拟点，这个虚拟点就像在赛狗时所用到的兔子，AGV永远追不上，但又永远在AGV前面不远的地方；AGV前进的方向始终指向虚拟点，通过这样周期性的调节，就可以使AGV以很小的误差沿着路径轨迹行走。

AGV技术在国内汽车行业中的应用

AGV从它诞生之日起就被广泛地应用到了汽车行业。时至今日，世界汽车行业对AGV的需求仍占主流地位（约57%）。

在我国，随着目前汽车工业的蓬勃发展，为了提高自动化水平，已有许多汽车制造厂将AGV技术运用到他们的装配线上。为此，国内出现了适合于汽车装配生产线及发动机装配生产线的埋线式电磁导引或磁带导引AGV系统，用于汽车总装和发动机装配，从而取代传统的地链或输送机模式。

AGV系统作为汽车或发动机装配生产线的子系统，上位控制计算机可配以相应的通信模块与生产线控制系统进行通信连接。一般AGV控制系统划分为上位控制和AGV单机控制两大部分，各控制层界面清晰，控制功能明确，结构清楚。

通常，AGV上位控制系统负责任务（装卸操作，充电等）生成，车辆调度，交通管理，通信管理及可视化监控等；AGV单机控制系统根据上位系统下发的任务完成AGV单机的导航/导引计算，车辆驱动及自动装卸货工作（在汽车装配线中，通常是人工装卸）。

在汽车装配线中AGV的任务是顺序执行的，AGV的车辆调度和交通管理并没有任何优化过程，因此，AGV单机的数量完全取决于制造商的生产能力和AGV自身运行的速度，而与系统优化调度是无关的。

AGV在国内外汽车行业应用现状

将AGV技术应用于汽车或发动机装配线中，取代传统装配模式，能在一定程度上提高整个生产线的自动化水平，降低操作工人的劳动强度；可适应将来的装配系统的场地变化。在国外，尤其是在发动机制造行业，此类应用也不在少数。但在该模式中，AGV工艺路径过于单一（单一的行驶环路，装配工位几乎完全固定），忽略了AGV系统优化调度的作用，几乎将AGV当成了顺序移动的输送机。因此，这样的应用模式只是AGV的一种简单应用。

在国外，汽车行业对AGV的应用十分普遍成熟，1998年，仅通用汽车公司一家就拥有AGV 3000多台，但它们的主要功能是：结合立体仓库实现对汽车装配所需材料的自动运输或工作在恶劣环境中（喷涂生产线，焊接生产线）。AGV在装配线中实现物料搬运的典型流程如下图4。

当然，基于上述流程，AGV行驶的路径和距离要比装配线的单环路（或简单路径）复杂得多，长得多；上位控制系统为提高多台AGV的协同运输作业效率和路径交通管理，所采用的控制策略也要比单环路或简单路径复杂。

AGV技术在汽车行业的发展

在科学技术突飞猛进和经济全球化的今天，现代物流技术已应用于世界各国经济生活的各个领域，自动化的物流系统已成为现代化工厂不可缺少的重要部分。随着我国汽车工业的发展，行业的竞争将会越来越激烈，降低制造成本，推出新款车型是每个汽车制造商都必须面对的现实。而生产物流就是降低生产管理成本的有效方法，AGV更是实现柔性制造和柔性装配的最佳运输工具。

随着汽车的普及，尤其是汽车进入普通家庭后，人们必将对汽车的人性化和个性化提出更高的要求，与时装一样，人们不会满意大街上跑的都是款式相同、配置固定的车型。这种需求又将给汽车制造业带来了新的难题，同时又是新的机遇。

据报道，“奔驰”汽车公司已采用AGV进行汽车的“定制化生产”，满足多品种（配制），小批量的生产模式――这无疑将成为未来汽车制造的发展方向。

AGV系统在汽车“定制化生产”中运用典型流程如图5。

在这样的模式下，AGV将成了汽车装配的主要载体， AGV在柔性装配业的功能被发挥得淋漓尽致了。可以想像，在汽车大规模“定制化生产”到来的时候，AGV作为最柔性化的输送设备，最终可以真正替代传统的装配模式了。