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1、1 绪论1.1 自动引导车辆的概念研究始于20世纪50年代初美国 Barrett Electronics公司开发出世界上第一台自动引导车辆系统（Automated Guided Vehicle System，AGVS）。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轿车装配工厂与SchiinderDigitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。20世纪80年代，伴
2、随着与机器人技术密切相关的计算机。电子、通信技术的飞速发展，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中各种具有广阔应用前景和军事价值的移动式机器人受到西方各国的普遍关注。它的研究方向包括驾驶员行为分析，极端情况下的自主驾驶，车辆运动控制系统，交通监控、车辆导航及协作，主动安全系统等方面。自动导向车(AGV)是采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点，再用自动或人工方式装卸货物的工业车辆。按日本JISD6801的定义：AGV是以电池为动力源的一种自动操纵行驶的工业车辆。自动导向车只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，与自动导向系统、自动装卸系统、通讯系统、安全
3、系统和管理系统等构成自动导向车系统(AGVS)才能真正发挥作用。1.2 AGV技术发展AGV产品所涉及的关键技术主要包括：引导技术(Navigation Techniques)、控制技术(Control Techniques)和电源技术(Power Techniques)三个方面。引导技术现在已被探索研究和开发应用的引导方法主要有：电磁感应法(Inductive Guide-Path)、光学引导法(Optical Guide-Path)、化学引导法(Chemical Guide-Path)、磁感应法(magnetic Guide-Path)、位置推断法(Dead Reckoning)、参考标志
4、法(Beacon System)、惯性导航法(Inertial Navigation)和图像识别法(Direct Imaging)等。表1-1 AGV所应用的引导技术的统计结果引导技术电磁感应惯性导航光学检测位置设定激光检测图像识别应用比例32.827.816.913.87.691.54控制技术随着计算机控制技术的应用和多种高精度传感器的实用化，其他各种引导技术也不断成熟和应用。根据对国外十几家生产AGV公司的27个系列产品所应用的主要引导技术的统计结果（如表1.1所示），可以明显看出，电磁感应引导技术所占的应用比例最高，这表明该项技术已经十分成熟，应用也就最多。而图像识别引导技术应用的比例还
5、很少，因此，该项技术还需要深入研究。 计算机硬件技术、并行与分布式处理技术、自动控制技术、传感器技术以及软件开发环境的不断发展，为AGV的研究与应用提供了必要的技术基础。人工智能技术如理解与搜索、任务与路径规划、模糊与神经网络控制技术的发展，使AGV向着智能化和自主化方向发展。AGV的研究与开发集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术等多个学科，成为物流自动化研究的热点之一。 能源技术AGV运行消耗的能源一般由蓄电池提供，蓄电池容量的确定是AGV设计中的重要参数之一，他的选择应保证车辆在规定的作业方式和工作时间内提供足够的能量。目前，用于AGV的
6、蓄电池有两种类型：铅-酸蓄电池(Lead Acid)和镍-镉蓄电池(Nickel Cad)。其中，铅酸型蓄电池所占的比例很大，除电池本身特性外，AGV使用过程中的充电技术也是一个很重要的因素。尽管对AGV的研究已有多年的历史，但仍有多项关键技术还有待提高和突破，以进一步提高AGV的性能，降低制造成本和减少使用费用。本文所述AGV主要用于工厂物流系统，是在已知环境中，根据任务需求并按照一定的导向方式，完成相应的物料运输任务。因此，导向与控制方式是其核心问题。1.3 自动引导车辆发展自动引导车辆系统是以AGV为主要运载工具， 由路径引导系统、自动装卸系统、信息通讯系统、安全保障系统和管理控制系统等
7、构成的物料运输系统。AGV只有按物料搬运作业自动化、柔性化和准时化的要求，构成AGVS才能充分发挥作用。20世纪50年代初期，美国Electronics公司研究开发了世界上第一个自动引导车系统(AGVS)。1954年，在South Carolina州Columbia市的 Mercury Motor Freight公司投入运行使用。这个系统的AGV采用埋线式电磁感应路径引导方式和真空电子管元件控制器，是无人驾驶的车辆牵引系统(Dragger System)。这一时期的AGVS主要应用于仓库的物品运输，其目的是为了提高仓库的自动化水平。但此时AGV产品开发中，控制器的体积过大，控制能力有限以及其他
8、因素，制约了AGV产品的技术进步。20世纪60年代和70年代，控制器首先晶体管化，后来又采用集成电路，不但使控制器的体积缩小，而且大大提高了控制器计算能力。但这种车载电子机构(On-board Electronics)控制器的性能很难适应于复杂的工业化物流系统的要求。因此，在美国仅有限的物流系统采用自动牵引车辆系统，AGV产品的技术进步仍然很慢。与此相反，在欧洲AGVS的研究得到迅速发展，应用领域也扩展到了工业生产领域。80年代以来，在国际市场上，许多产品出现了供大于求的局面，产品之间的竞争加剧，同时用户对产品的种类和式样的需求也日益多样化，这些变化促使企业开始寻求高效、快捷、灵活的生产方式以
9、提高效率、降低成本和提高市场应变能力。由于AGVS能自动完成运输作业，可以灵活更改运输线路，因此可以在同一条生产线上装配出不同的产品，并且当产品需要环形或调整产量时，装配线的重组成本低、时间短，适应快捷的现代生产需要，因此许多企业开始采用若干AGVS为运载工具的柔性制造系统FMS(Flexible Manufacture System)，柔性装配系统FAS(Flexible Assemble System), AGVS的应用在发达国家得到迅速发展。1.4国外AGV的应用目前各种形式的AGV已经在汽车制造业、机械加工、钢铁生产、食品加工、化工等行业得到应用，并在港口码头、仓储中心、图书馆等场所也
10、有了广泛应用。在荷兰鹿特丹港口，“Yard Tractor”完成集装箱从船边运送到几百码以外的仓库这一重复性工作。荷兰政府正考虑在南部沿已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。图1-1为AGV的应用场景图片。 （a） AGVS用于机械、汽车等行业的装配线和生产线 （b） AGVS用于造纸厂的纸张运送 （c） AGVS用于饭店、试验室、医院图1-1 AGVS的应用场景20世纪80年代中期，AGV的75%用于汽车制造业，而西德的比例高达64%。通过表1.2不难看出，90年代汽车制造业仍然是AGV的主要应用领域。表1-2 20002004年AGV在国外各个行业的应用情况
11、 （%）汽车制造 航空国防电子行业服务行业工程机械其它200027.210.612.120.78.720.7200117.69.912.3218.620.6200228.19.212.521.38.620.3200328.68.512.621.68.620.1200429.17.912.8228.619.61.5国内AGV研究开发和应用我国对AGV的研究应用与国外相比起步较晚。1975年北京起重运输机械研究所研制成我国第一台电磁引导式AGV。20世纪80年后期，北京机械工业研究所为二汽研制了立体化仓库中使用的AGV；北京邮政科学研究所规划院也研制出AGV。20世纪90年代，清华大学的国家CIM
12、S工程中心将从国外引进的AGV成功的应用于CIMS的实验研究；沈阳自动化研究院为金杯汽车厂生产了9台AGV用于发动机生产线。清华大学计算机应用系也研制了应用于邮政中心的AGV。原吉林工业大学智能车辆课题组织主要从事视觉导航车辆的研究，先后开发出JUIV-I、JUIV-II视觉导航智能车辆实验平台，最近又开发了面向工厂实际应用的JLUIV-III型视觉导航AGV，并在一汽集团JETTA轿车变速器装配线进行了中试。1.6 新型AGV简介本次新型AGV是基于普通AGV原理加以改造成类似一般微型车辆并具有自动自动引导功能。新型AGV由车体、蓄电池、驱动/转向装置、控制箱、CCD摄像机以及仪表/指示灯等
13、组成。V-AGV的主要功能要求和性能指标同其它的AGV相同，但是引导方式的不同基于机器视觉引导的自动导向车辆是利用CCD采集路径标线和标识的图像信息，经过车载计算机对图像的处理来识别路径，并根据车辆与路径轨迹之间相对位置的判断结果，来控制车辆运行方向的一种引导方式。此为，利用机器视觉还可识别各种标识，如转向，加速、减速、停车和工位号等，并对车辆运行状态进行控制。由CCD采集的路径标线的图像，包含着车辆在某一时刻相对于路径标线的位置信息，即车辆的纵轴线与路径的交角（）以及与路径之间的偏移距离（e），如图2-1所示。但在所采集的图象中，除包括路径和标识信息外，还可能存在着因为地面反光或标线污染等干
14、扰信息。所以，必须对图像进行处理才能达到可靠引导的目的。 图1-2： CCD采集路径标线本次设计车辆的主要优点:1. 路径设置简单、灵活、成本低，便于维护与改线，为车辆实现长距离、变路径导航提供了现实可行性。2. 由于路面图像是两维平面图像，且路径识别仅需边缘检测，因此可以实现很高频率的路径识别，从而为车辆实现更高速度的自动引导创造了必要前提。3. 采用图像处理技术可以很方便地识别多停车工位和多分支路径，从而克服了埋线磁导航和激光导航的AGV多工位、多分支路径识别的困难。4. 采用图像识别技术可以方便地获取车辆的多种运动偏差，从而为设计多输入反馈最优导向控制器提供了一种经济且有效的途径。5.
15、由于视觉导航不受电磁场和遮挡物的影响，所以比埋线磁导航和激光导航AGV有更佳的环境适应性。6. 车辆具有自动避障、自动报警、自动上线和无线通讯等人工智能。2 新型AGV转向机构设计2.1设计的基本原则基于机器视觉引导的新型AGV车辆的转向系统机构设计，应考虑其应用条件，技术特点，加工制造成本，使用维护费用和安全可靠运行等要求进行综合分析后确定，既要兼顾技术与经济相结合的原则。同时，由于把一般AGV的一些功能植入普通车辆并加以改造，重点注意车体的体积要小，减少整车重量，增大承载能力，因此在狭小空间内要合理布置系统的各个部分，并加以优化。而基于这个前提，考虑到在选择转向机构各组成部分或者机械零部件材料时，优先采用重量轻性能好的产品，以更好的适应处于实验阶段的自动引导车辆。此外，区别于工厂柔性生产系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)和物流中心(Logistic Center)等领域物料运输的基于视觉引导的自动车辆，本次的新型AGV应充分考虑驾驶员的感受，因此尝试把人体工程学的一些理念加入转向机构的设计之中
