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AGV關鍵技術現狀及發展趨勢

發布時間:2016年12月9日 19:05 來源:


  根據美國物料搬運協會(America Material Handling Association)的定義,AGV是一種以充電電池為動力,自動導引的無人駕駛自動化車輛,它能在計算機的監控下,按路徑規劃和作業要求,精確行走并停靠到指定地點,完成取貨、送貨、充電等一系列作業任務。
  AGV技術國內外發展概述
  福特汽車公司于1913年將最早的自動搬運車應用到汽車底盤裝配上,體現了無人搬運車的優越性。但當時是有軌道導引的(現在稱為RGV)。到了上世紀50年代中期,英國人首先去掉了地面上的導引軌道,采用地板下埋線的方式,組成以電磁感應導引的AGVS,1959年AGV應用到倉儲自動化領域和企業生產作業中。
  上世紀60年代,計算機技術開始應用于AGV系統的管理和控制系統中,AGV系統從自動化倉儲進入到柔性加工生產系統(FMS)中,從而使AGV得到了迅速的發展。雖然AGV首先出現在美國,卻在歐洲迅速得到發展和推廣應用,并成為制造和裝配作業過程中一種流行的物料搬運設備。
  在我國,北京起重運輸機械研究所(現為“北京起重運輸機械研究院”)于1976年研制出第一臺ADB型AGV。郵電部北京郵政科學研究所為上海新火車站郵政樞紐、濟南軍區倉庫研究試制的WZC及WZC-1兩種AGV,1991年投入了運行。中科院沈陽自動化所在國家“863”計劃支持下,完成了多項移動機器人應用基礎研究和應用技術開發項目,并開發出應用于實踐較為成熟的AGV(電磁導引)及其系統技術。
  AGV關鍵技術現狀
  AGV系統主要包括:AGV管理監控調度系統、AGV車載控制系統、AGV自主定位及導引系統、AGV運動控制驅動系統、AGV能源系統、AGV無線通訊系統等,下面分別介紹各子系統相關技術的國內外發展現狀。
  1. AGV管理監控系統
  AGV管理監控調度系統的主要功能是管理、監控和調度AGV執行搬運作業任務。AGV管理監控計算機一方面與上一級的信息管理系統(SAP/ERP/WMS/MES等)主機進行通訊,產生、發送以及回饋搬運作業任務,另一方面通過無線網絡系統與AGV進行通訊,按照一定規則發送物料的搬運任務,并進行智能化交通管理、自動調度相應的AGV完成搬運物料任務,同時接受AGV反饋的狀態信息,監控系統的任務執行情況,并向上一級信息管理系統主機報告任務的執行情況。
  AGV管理監控系統是一個復雜的軟、硬件系統,目前國內外中高端的AGV系統均有AGV管理監控系統。硬件由服務器、管理監控計算機、網絡通訊系統以及相關接口等組成;軟件由相關的數據庫管理系統、管理監控調度軟件等組成。
  AGV管理監控調度軟件是AGV系統重要核心技術之一。系統軟件的成熟程度以及國外軟件技術不開放共同制約了國內AGV的發展與推廣。近年來,管理監控調度軟件的研發工作得到了重視,國內AGV生產廠家紛紛建立自己的AGV管理監控調度軟件系統研發平臺,研制出自己的AGV管理監控調度軟件產品。
  2.AGV車載控制器
  AGV車載控制器是AGV控制系統的核心,負責完成人機交互、路徑規劃、任務執行、定位與導航控制、電源管理、自主避障、安全信息提示,以及與AGV管理監控計算機進行通訊,反饋AGV的當前狀態,并接受AGV管理監控系統的調度和工作指令等任務。AGV車載控制器的性能和可靠性直接影響AGV產品的性能和可靠性。
  早期的AGV車載控制器硬件通常采用工控機或通用PLC作為主控單元,通過比較復雜的控制軟件和多種A/D、D/A接口完成人機交互、路徑設定、任務調度、定位與導航控制、運動控制、電源管理、自主避障、安全信息提示、并與管理監控計算機進行通訊、反饋AGV的當前狀態、接受調度和工作指令等任務。
  近年來,隨著計算機技術的飛速發展,嵌入式計算機的軟硬件水平都得到很大提高,已經可以滿足AGV產品的各種需要。此外,與工控機相比,嵌入式計算機系統具有結構緊湊、成本低、功耗小等明顯優勢,而這些對于必須使用自身攜帶電源的AGV產品尤其重要。因此,AGV車載控制器硬件采用嵌入式計算機系統將是未來的技術發展趨勢。
  3. 自主定位及導航系統
  AGV可以按照自主程度、用途和結構形式、導航方式等進行分類。雖然AGV導航方式的種類很多,但目前得到應用或具有應用前景的AGV導引方式主要包括以下幾種類型。
  (1)電磁感應導引
  該導引方式的基本工作原理為:在AGV的行駛路徑上埋設金屬導線,并加載低頻、低壓電流,使導線周圍產生磁場,AGV上的感應線圈通過對導航磁場強弱的識別和跟蹤,實現AGV的導引。目前,電磁感應導引技術比較成熟,應用也較為廣泛。
  該導航方式的主要優點為引線隱蔽,不易污染和破損,導航原理簡單而可靠,無聲光干擾,制造成本較低;而主要缺點則為路徑更改的靈活性差,調整變動麻煩,感應線圈對周圍的鐵磁物質較敏感,對于一些路線比較簡單,且需要24小時連續作業的工況(比如發動機等裝配生產線),配合非接觸供電系統的應用目前在國外較為常見。
  (2)磁帶、磁點導引
  該導引方式的基本工作原理為:在AGV的行駛路徑上貼磁帶或打磁點,通過磁感應信號實現導引。目前,磁帶、磁點導引技術成熟,應用也較為廣泛。
  該引導方式的主要優點為改變或擴充路徑較容易,磁帶、磁點的安裝簡單;而主要缺點則為易受AGV行走路徑周圍的金屬物質的干擾。此外,由于磁帶外露,容易受到機械損傷和污染,導航的穩定性受環境影響較大,因此近年來此類AGV較多采用磁點導引方式。
  (3)光學導引
  該導引方式的基本工作原理為:在AGV的行駛路徑上涂漆或粘貼色帶,通過對光學傳感器采入的色帶圖像信號進行識別實現導引。此外,用CCD攝像機和圖像處理系統替代普通的光學傳感器可以有效提高導引系統的可靠性。目前,光學導引技術成熟,應用也較為廣泛。
  該導引方式與磁帶導引方式比較類似,其主要優點為靈活性比較好,地面路線設置十分簡單;而主要缺點則為易受色帶污染和磨損的影響,對環境要求較高,導引可靠性受制于地面條件,停位精度比較低。
  (4)激光導引
  該導引方式的基本工作原理為:在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板,安裝在AGV上的激光定位裝置發射激光束并且采集由不同角度的反射板反射回來的信號,根據三角幾何運算來確定其當前的位置和方向,實現AGV的導引。目前,激光導引技術比較成熟,應用也較為廣泛。
  該導引方式的主要優點為定位精確,能適應復雜的路徑條件及工作環境,能快速變更行駛路徑和修改運行參數;主要缺點則為激光定位裝置成本較高。
  (5)視覺導引 
  該導引方式的基本工作原理為:在AGV上安裝CCD攝像機,AGV在行駛過程中通過視覺傳感器采集圖像信息,并通過對圖像信息的處理確定AGV的當前位置(識別給定路標)。 
  視覺導引方式具有路線設置靈活,適用范圍廣,成本低等優點,也是AGV引導方式未來的發展方向。但是,由于利用車載視覺系統快速、準確地實現路標識別這一技術瓶頸尚未得到突破,因此,目前該方法尚未進入實用階段,隨著計算機技術的發展及快速圖像處理關鍵技術的突破,視覺導引技術將成為最具應用前景的AGV導引技術。
  (6)慣性導引
  慣性導引方式的基本工作原理為:在AGV上安裝陀螺儀,在行駛區域的地面上安裝定位塊,AGV通過對陀螺儀偏差信號的計算及地面定位塊信號的采集來確定自身的位置和方向,從而實現AGV的自動導引。
  慣性導引技術是AGV領域一項新興的導引技術,其主要優點是技術先進,定位精度高,靈活性強。隨著慣性敏感元件的發展,成本的降低,慣性導引技術也極具發展前景。
  (7)復合導引
  任何一種導引方式均有其局限性,目前已經投入商業應用的復合導引AGV主要有激光及磁點復合導引方式。
  4. AGV運動控制系統
  AGV作為移動機器人的一個分支,其驅動方式主要包括單舵輪驅動、差速驅動和雙舵輪驅動及多舵輪驅動等四種方式:多舵輪驅動一般用于載重10噸以上的AGV。
  5. 電機驅動總成
  AGV的電機驅動總成由伺服電機和減速機組成,用于AGV本體驅動以及裝卸載機構的驅動,是AGV的核心部件,對AGV的成本和性能影響很大。目前國內電機驅動總成與國外相比仍有較大差距,國產AGV產品大多采用進口電機驅動總成及驅動器產品,成本很高。
  目前在國外,以低壓交流電機為核心的交流電機驅動總成因其效率高、維護成本低,被廣泛應用于重載AGV驅動系統中。國外AGV產品供應商競相推出了性能更佳的交流電機驅動AGV,將其作為參與全球市場競爭的制勝砝碼。
  6. AGV能源系統
  AGV能源系統是AGV的關鍵系統之一,它包括:電池智能充電管理系統、智能電池充電機、電池電量檢測和電池。
  AGV用蓄電池的特性對AGV單機的設計影響很大,目前國內外廠家采用的蓄電池主要分鉛酸電池和鎘鎳電池兩大類。鉛酸蓄電池充放電倍率低,適合慢充慢放,充電時間長,連續工作時間也較長;而鎘鎳蓄電池充放電倍率較高,適應快充快放,充電時間短,連續工作時間比鉛酸電池較短;一般根據AGV的作業特點,如生產的間歇性、工作班次、AGV的運行時間來選擇合適的蓄電池。
  在一些應用場合,如AGV行駛路徑為固定路徑,可用非接觸感應供電取代電池供電,非接觸感應供電方式由車載控制器通過耦合取電板從地下敷設的高頻恒流線路上獲取電能,經車載AC-DC轉換后供給車載元件,從而實現了AGV在運動中非接觸感應供電。
  7. AGV無線通訊系統
  AGV系統中有多臺AGV同時工作,為了指揮各臺AGV按照AGV管理系統所接受的任務協調地工作(即對AGV指派任務、進行交通管理等),所有的AGV以及系統中的其它自動化物流設備均由AGV管理監控計算機進行統一控制。AGV需要將當前的狀態報告給AGV管理監控計算機,其與AGV之間的數據交換需要通過通訊系統來完成。有固定運行線路的AGV可以通過在運行線路上埋設的導線進行感應通訊,而全方位運行的AGV由于沒有固定的運行線路,所以一般是使用無線通訊方式與主機交換數據,當車間中干擾源較多時,通訊系統必須有較高的可靠性,否則會引發AGV系統的誤動作,目前國內外AGV無線通訊系統大多采用無線以太網標準協議802.11b/g的通用無線系統。無線通訊系統技術的提升和硬件成本的降低可以促進AGV的發展。
   未來我國AGV研發方向:
  (1) AGV管理監控調度系統:開發基于50臺以上AGV的管理調度系統開發工作,開展人機交互技術、遠程監控技術、遠程故障診斷技術的專項研究,提高我國自主知識產權的軟件開發水平,以適應國內近年來AGV的市場需求;
  (2) AGV車載控制器:研制基于嵌入式計算機系統的專用AGV車載控制器,取代以采用工控機或通用PLC作為主控單元的AGV車載控制器是未來的技術發展趨勢,也是今后研發工作的重點;
  (3) 隨著制造業對AGV需求量的增加,載荷在40噸以上的重載型AGV的需求將快速增長,多舵輪驅動的AGV研發顯得尤為重要,應開展多舵輪驅動AGV運動學研究和多舵輪運動控制算法的研究工作;
  (4) 視覺導引技術將成為最具應用前景的AGV導引技術,開展快速圖像處理關鍵技術的研究工作,開展圖像處理技術在AGV導引技術上的適應性研究工作,盡快使視覺導引技術在工程中實現成熟應用。

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