什么是AGV?

 

       AGV即Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV。當(dāng)前最常見(jiàn)的應(yīng)用如:AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人或AGV小車，主要功用集中在自動(dòng)物流搬轉(zhuǎn)運(yùn)，AGV智能搬運(yùn)機(jī)器人是通過(guò)特殊地標(biāo)導(dǎo)航自動(dòng)將物品運(yùn)輸至指定地點(diǎn)，最常見(jiàn)的引導(dǎo)方式有磁條引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、RFID引導(dǎo)等。
       我院復(fù)合制造與智能識(shí)別研究所在AGV領(lǐng)域深耕多年，研發(fā)出了新一代AGV智能物流機(jī)器人，其關(guān)鍵部件與軟件技術(shù)的研究實(shí)現(xiàn)了AGV的自動(dòng)化、個(gè)性化、系統(tǒng)化的新模式；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自動(dòng)化生產(chǎn)、作業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)化、輸入產(chǎn)量需求即可自動(dòng)準(zhǔn)確完成的人性化、漸已形成了以機(jī)器為主，人工監(jiān)察的自動(dòng)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，大大的提高了生產(chǎn)效率及質(zhì)量，也給人創(chuàng)造了安全的作業(yè)環(huán)境。
我院復(fù)合制造與智能識(shí)別研究所（簡(jiǎn)稱“復(fù)合制造所”）研發(fā)的新一代AGV智能物流機(jī)器人的強(qiáng)大性能。

科技研發(fā)

1，AGV的用途：
      市面上的AGV搬運(yùn)機(jī)器人主要集中應(yīng)用在制造業(yè)物料搬運(yùn)方面，AGV在制造業(yè)應(yīng)用中以其高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)任務(wù)而著稱。同時(shí)，它可以多臺(tái)AGV組成柔性的物流搬運(yùn)系統(tǒng)，搬運(yùn)路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時(shí)調(diào)整，使一條生產(chǎn)線上能夠制造出十幾種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的柔性和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。AGV作為基礎(chǔ)搬運(yùn)工具，AGV的應(yīng)用深入到機(jī)械加工、家電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個(gè)行業(yè)，生產(chǎn)加工領(lǐng)域成為AGV應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，它是柔性制造的基礎(chǔ)工具。

2，研發(fā)目標(biāo)：
      下一代智能工藝AGV，調(diào)度與自主避障問(wèn)題將變得非常困難，伴隨AGV數(shù)量越多，調(diào)度難度呈指數(shù)級(jí)增大。因此，調(diào)度系統(tǒng)成為AGV行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，而且能夠調(diào)度的AGV數(shù)量也成為評(píng)判系統(tǒng)強(qiáng)大與否的重要指標(biāo)。雖然目前從事AGV行業(yè)的企業(yè)很多，但是具有大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜調(diào)度能力的企業(yè)并不多見(jiàn)，而能夠真正把調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化的很好、能夠最高效率地利用AGV系統(tǒng)的企業(yè)更是屈指可數(shù)。
       工業(yè)領(lǐng)域的AGV，高可靠性、低維護(hù)性也是行業(yè)倒逼的結(jié)果。開(kāi)發(fā)高可靠性、高速度、高角速度的驅(qū)動(dòng)舵輪是提高定位能力、減少故障率、提升生產(chǎn)系效率的重要舉措之一。AGV舵輪集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、減速電機(jī)等一體化的機(jī)械結(jié)構(gòu)，集產(chǎn)品、行走、牽引和轉(zhuǎn)向功能為一體，可以荷載和牽引較重的貨物，從   而滿足下一代智能AGV大載荷和精準(zhǔn)定位的應(yīng)用需求。
       我院復(fù)合制造所，針對(duì)下一代系統(tǒng)大吞吐量智能AGV的調(diào)度需求和汽車矩陣式制造的高匹配精度要求，建立應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量階躍提升的方法，形成多種類、寬適應(yīng)和大吞吐量的智能工藝AGV的新型中控系統(tǒng)，突破了與多類傳統(tǒng)AGV協(xié)同調(diào)度的數(shù)量難題；研發(fā)高定位精度舵輪系統(tǒng)，解決AGV可靠高精密傳動(dòng)問(wèn)題；最終以中控和舵輪為關(guān)鍵牽引，形成適用 “五大理念”的智能AGV整車樣機(jī)。

 

科技創(chuàng)新

1，改進(jìn)的激光SLAM導(dǎo)航定位技術(shù)
       國(guó)內(nèi)某公司AGV產(chǎn)品負(fù)重1500kg的重復(fù)定位精度在±10mm，國(guó)外某知名AGV產(chǎn)品負(fù)重1500kg時(shí)精度前進(jìn)重復(fù)定位精度在±5mm，橫行停止精度在±10mm。本項(xiàng)目通過(guò)改進(jìn)粒子群進(jìn)化算法對(duì)粒子波的運(yùn)動(dòng)模型采樣粒子進(jìn)行優(yōu)化，改善粒子濾波算法的退化現(xiàn)象，提高SLAM算法的定位精度。

2，改進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制技術(shù)
       針對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中存在舵輪速度波動(dòng)率較高且電機(jī)的重復(fù)定位精度較高等問(wèn)題，提出微分前饋終端滑模控制策略，速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊控制方法，提高速度環(huán)抑制速度波動(dòng)能力，在位置環(huán)加入快速終端滑模控制，提高舵輪位置控制精度。

 

 

3，改進(jìn)軌跡追蹤算法研究
       針對(duì)現(xiàn)有AGV軌跡跟蹤速度慢，跟蹤精度不高等問(wèn)題，提出一種Back-stepping的控制算法結(jié)合Lyapunov設(shè)計(jì)控制器，提高魯棒性和跟蹤的精確性最終實(shí)現(xiàn)AGV整車重復(fù)定位精度的目標(biāo)。

 

 

4，實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)滿足各種場(chǎng)景需求
       基于的Kafka架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV集群系統(tǒng)的調(diào)度功能，其具有分布式、支持分區(qū)、多副本等特點(diǎn)，最大優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)滿足需求場(chǎng)景。該項(xiàng)目提出的改進(jìn)遺傳算法，能有效降低系統(tǒng)的負(fù)載量標(biāo)準(zhǔn)差，其數(shù)值下降63.58%。該算法有助于緩解實(shí)際生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重?fù)矶卢F(xiàn)象。提出利用表面微織構(gòu)、二維材料添加劑等方法，解決液體超滑受速度、壓力和溫度等因素的限制，建立高速、重載等情況下的固液耦合超滑體系。解釋超滑界面形成、演化和時(shí)效機(jī)制，建立固液耦合超滑的物理模型，突破液體超滑的壓力極限。以此解決舵輪中關(guān)鍵部件摩擦磨損問(wèn)題，提高舵輪精度和穩(wěn)定性。

5，改進(jìn)人工蜂群調(diào)度任務(wù)分配算法技術(shù)
       在AGV的調(diào)度更新策略中，利用其線性更新維數(shù)機(jī)制加快搜索過(guò)程。AGV在活動(dòng)區(qū)域的行駛路徑單一導(dǎo)致?lián)矶?。關(guān)鍵技術(shù)是引入“基于圖論搜索算法和均衡負(fù)載與強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多AGV路徑規(guī)劃算法的技術(shù)”。通過(guò)該算法，獲取高密度AGV調(diào)度路徑規(guī)劃問(wèn)題的最優(yōu)解。

 

 

區(qū)域內(nèi)擁堵情況對(duì)比圖：
上圖為正常A*路徑規(guī)劃的擁堵情況
下圖是基于圖論算法優(yōu)化后的

 

IABC提升調(diào)度規(guī)模自適應(yīng)性、提高調(diào)度效率對(duì)比圖：
左圖為普通ABC（蜂群算法）任務(wù)分配效率圖
右圖是IABC（智能蜂群）任務(wù)分配效率圖
 

具有“五大新理念”的新型AGV

       如圖展示AGV標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載是600KG，采用SLAM激光+視覺(jué)定位及慣性導(dǎo)航綜合導(dǎo)航策略。硬件結(jié)構(gòu)采用公模的方式，是業(yè)內(nèi)主流的工業(yè)設(shè)計(jì)，也是相對(duì)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，可以應(yīng)對(duì)80%以上的工廠環(huán)境。其優(yōu)勢(shì)在于提供更智能的軟件定制化服務(wù)，是清華大學(xué)獨(dú)有技術(shù)，具備智能加速、智能避障、智能選路、智能超車功能。驅(qū)動(dòng)方式為雙舵輪驅(qū)動(dòng)，車體有更高的自由度。

 

應(yīng)用價(jià)值

       汽車行業(yè)對(duì)AGV應(yīng)用領(lǐng)域需求巨大。AGV在汽車行業(yè)的典型應(yīng)用主要在于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，或者底盤和平臺(tái)的對(duì)接。比如：原材料的自動(dòng)運(yùn)輸、總裝線的運(yùn)輸、測(cè)試區(qū)的往來(lái)運(yùn)輸以及生產(chǎn)車間與成品之間的自動(dòng)運(yùn)輸。無(wú)論是從使用量還是應(yīng)用成熟度，汽車行業(yè)無(wú)疑是AGV最強(qiáng)大的市場(chǎng)和最大的支持力量。
       一個(gè)汽車企業(yè)往往要使用數(shù)百臺(tái)甚至上千臺(tái)AGV，如東風(fēng)日產(chǎn)廣州花都工廠就使用了超過(guò)1000臺(tái)AGV。從目前國(guó)內(nèi)汽車制造廠商的數(shù)據(jù)來(lái)看，大多數(shù)汽車企業(yè)都采用了國(guó)產(chǎn)的AGV作為廠內(nèi)生產(chǎn)物流的一個(gè)流通硬件，國(guó)產(chǎn)化率較高。因此，需要大力發(fā)展國(guó)產(chǎn)智能AGV調(diào)度系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)需求。

 

 

一汽紅旗現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
       目前，我院復(fù)合制造所與長(zhǎng)春一汽紅旗就AGV（移動(dòng)機(jī)器人）在涂裝、總裝車間的應(yīng)用開(kāi)展了一系列深度的研究和合作。目前“涂裝多功能AGV研究”已完成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，作為我國(guó)首款應(yīng)用在汽車制造工藝流程中可以替代滾筒線的超高精度多功能AGV，該設(shè)備的投入使用，可大幅度提高汽車產(chǎn)線柔性并促進(jìn)產(chǎn)線向高端智能化作業(yè)的轉(zhuǎn)變，為促進(jìn)汽車制造在“工業(yè)4.0”中的“矩陣式”生產(chǎn)模式的發(fā)展打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。
       同時(shí)，為企業(yè)開(kāi)發(fā)的“總裝車間AGV智能集群調(diào)度研究”，實(shí)現(xiàn)了紅旗長(zhǎng)青總裝車間多種類AGV間的高度協(xié)同配合功能，其中的亮點(diǎn)與難點(diǎn)是進(jìn)行SLAM激光AGV與磁條AGV協(xié)同作業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，在“磁條導(dǎo)航AGV與智能調(diào)度系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)現(xiàn)6臺(tái)SLAM智能激光配合15臺(tái)磁條AGV共同完成產(chǎn)線任務(wù)（包含多車編組，規(guī)定車輛超車，激光AGV伴隨磁條AGV等功能），解決了長(zhǎng)青基地總裝車門線AGV的部分擁堵問(wèn)題。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)磁條AGV的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了2種不同導(dǎo)航策略的AGV的相互協(xié)同，為企業(yè)創(chuàng)造了更高的經(jīng)濟(jì)效益。

 

復(fù)合制造與智能識(shí)別研究所
       清華大學(xué)天津高端裝備研究院復(fù)合制造與智能識(shí)別研究所以表面工程、非標(biāo)自動(dòng)化、在線檢測(cè)以及智能識(shí)別技術(shù)為技術(shù)核心，開(kāi)展了高速電機(jī)的絕緣軸承噴涂的表面工藝、航空非標(biāo)制造、視覺(jué)檢測(cè)以及AGV整車、AGV舵輪關(guān)鍵零部件生產(chǎn)等高端研發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員80%以上具有重點(diǎn)高校碩士以上學(xué)歷，通過(guò)自主研發(fā)與創(chuàng)新，解決產(chǎn)業(yè)化核心問(wèn)題，已與多家制造企業(yè)公司合作，解決生產(chǎn)難題，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享，整合產(chǎn)業(yè)鏈，形成集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的團(tuán)隊(duì)。

 

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