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本文为浙江省教育厅基金资助项目：智能机器人对周边环境感知技术的研究项目，编号：111251A4F02065
[摘要] 本文研究了AGV移动机器人对周边环境信息感知和获取技术，分析并研究了AGV机器人在烟草企业生产现场的应用流程。
[关键词] AGV 光学导引 卷接包机组
一、概述
AGV自动导引小车属于搬运机器人，AGV具有自动化程度高、安全、灵活等特点，因而广泛应用于汽车制造、烟草等企业自动化生产和仓储系统，AGV是自动化柔性生产线、自动化高架立体仓库等现代化生产物流系统的关键设备之一。自动导引是AGV控制的核心技术，它决定了AGV的导引方式。按照导引原理的不同，分为固定路径导引和自由路径导引。固定路径导引是AGV运动路径周边部署信息标志装置，车载传感器在运动过程中实时检测并控制正确的运动方向，信息标志有导线、色带、反光板等。自主路径导引是AGV车载计算机预先设定运动路径的座标信息，运动过程中车载传感器实时检测当前坐标信息并与预定位置比较、判别，从而控制AGV机器人的运动。
二、AGV 机器人总体结构
AGV机器人由车辆本体、驱动、转向、控制、通信、安全保护、蓄电充电等模块组成。
AGV车辆本体模块由车体由车身和相关机械装置组成，是其它部件安装配置的平台。AGV驱动模块由车轮、变速、制动、驱动电机、控制电路等组成。AGV控制模块是系统的神经中枢，它将电机系统、传感器信号处理、驱动器控制、定位算法、电子地图及无线通讯等功能整合在一起，完成接收中央计算机命令完成AGV运动方向、速度、装卸、停靠等控制，以及避障、安全等控制。AGV的驱动模块由车轮、减速器、制动器、驱动单元、步进电机等组成，是控制AGV正常运行的装置。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。AGV通信模块主要由无线数据通信实现AGV机器人和中央计算机的通信，AGV机器人和中央计算机均配置无线数据通信卡。AGV的转向包括中间轮速差转向、前轮转向和前后轮转向，转向模块直接决定了AGV的运动性能。安全模块包括对AGV机器人本身、对人或其它设备等的保护装置。蓄电和充电模块一般采用24V或48V直流蓄电池，能够快速充电，并保证连续工作8小时以上。
三、AGV 机器人周边环境感知技术
1.光学导引
光学导引属于固定路径导引。AGV运动路面配置色带，利用地面颜色和色带颜色的反差，确定AGV机器人的位置偏差，AGV运动如地面明亮配置黑色色带，如地面黑暗配置白色色带。AGV 机器人配置光源主动扫描色带光学传感器接收色带反射光线，并经数模转换为数字信号提交AGV车载处理器实时处理，车载处理器将处理结果提交驱动模块，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，AGV检测到的亮度不同，经过处理器运算回路计算出相应偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态实时修正，使其回到导引路径上来，保证ＡＧＶ能够始终沿着色带的导引轨迹运行。图1是光学导引的原理图。
光学导引原理简单，运动路径地面设置简单易行，技术比较成熟，成本低，应用比较广泛。在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，灵活性比较好，，但对色带的污染和机械磨损敏感，对环境要求高，导引可靠性较差，且很难实现精确定位。
图1 光学导引原理
2.激光导引
激光导引属于自主导引。激光导引AGV机器人利用激光器感知和获取周边环境信息。激光导引机器人由中央计算机、无线网络、激光器、直线驱动电机、旋转驱动电机、控制器等组成，中央计算机负责AGV机器人的调度，无线网络负责中央计算机和控制器之间的信息传输，直线电机驱动AGV机器人的X、Y方向的运动，旋转电机驱动激光器做回转运动以进行周边环境的360o扫描，控制器控制机器人具体动作。激光导引AGV结构见图2。
图2激光导引机器人结构
在AGV机器人移动路径沿途的墙壁或支柱配置具有反光特性的定位标志，安装在AGV机器人上的激光扫描器按照一定频率自动扫描并识别设置在运动路径周边的定位标志，激光扫描器实时地从3个以上定位标志采集反射光信号，AGV车载处理器根据这些定位标志的位置坐标、反射光线和扫描器的夹角、AGV当前运动方向，计算AGV当前位置，并和AGV内置数字地图进行比较，计算偏差量，控制下一步需要达到位置，并将命令发送控制器直接控制电机动作。
激光导引具有定位精度高，自主性强，智能化程度高，适应性、灵活性强等特点。采用激光导引，AGV机器人可在导引区内精确定位, 并根据生产工艺变化灵活改动运行路径。
3.惯性导引
惯性导引属于自主导引。AGV机器人利用惯性导航技术感知和获取周边环境信息。惯性导引（惯性导航）是一种自主导航技术，惯性导引利用牛顿运动定律原理，通过加速度计、陀螺仪等惯性组件测量并自动计算载体的瞬时速度和加速度等信息，由此，在载体运动过程中惯性组件能够连续不断地提供载体的全部导航和制导信息，从而实现自动导引。惯性导引它与周围物理环境无关，不靠辐射能量和无线电等的辅助，不受外界干扰，导航精度完全取决于元器件本身及其定位方法的组合。图3是AGV机器人惯性导引原理图。
AGV 机器人直接安装加速计、陀螺仪等惯性组件，并在AGV机器人运动路径安装定位标志行驶地面上安装定位标志， AGV 机载计算机实时采集惯性组件及其地面定位标志信号，采用陀螺仪检测AGV的方向角，通过驱动轮转数经编码器反馈来累积计算直线距离，初步确定AGV的当前位置；同时，通过检测光电信号进行纠偏定位，实现AGV的精确定位，导引机器人按照正确的路径运动，并停靠在正确的工作位置。
图3惯性导引原理
惯性导引具有定位精度高，便于灵活组合，柔性好，同时，惯性导引对机器人运动路径和周边环境适应性强等特点。
4.AGV机器人在烟草生产现场应用
烟草企业的卷烟生产主要包括制丝(原料加工)、卷接(卷制成型)、包装(包装成品)等工艺过程。AGV机器人能实现自动导向、自动停车、自动装卸、自动避障、安全保护等功能，AGV机器人能方便灵活地自动出入各类生产、装配线、输送线、工作台、工位、货架等，充分适应了卷烟生产中卷接、包装等自动化生产线柔性高、物料流动量大，生产线路径复杂等要求。因此，AGV机器人在烟草企业自动化生产线、高架立体仓库中具有广泛应用。
烟草企业卷烟工艺是以卷接包机组为生产核心，以主料和辅料多途径输送为基础的生产模式，AGV机器人主要应用于配方原料、卷包辅料、成型原辅料、生产废料等的输送和装卸。AGV机器人在烟草企业生产现场的主要作业流程如下：
(1)当卷接包装生产线某个工位需补充物料时，工作人员按动计算机上补料按钮并通过无线网络自动发送补料请求。
(2)中央计算机通过无线网络自动接收补料请求，根据当前所有AGV的状态、任务、位置等要素进行排队计算，选择一个最近的空闲AGV；如当前所有AGV都处于工作状态，则选择距离工作结束时间最短的机器人进入排队状态。
(3)根据需补充物料起始位置、目标位置、AGV机器人当前位置，规划AGV机器人运动路径，并将规划路径等命令发送AGV机器人。
(4)AGV车载计算机对任务进行分析，根据运动过程中周边环境的变化自动计算并调整路径，自动装卸物料。
(5)AGV车载计算机按照一定的频率通过无线网络向中央计算机发送当前的位置和状态;中央计算机通过无线网络接收各工位发送补料请求。重复第(1)到(5)的过程。
引导方式不同，AGV机器人的灵活性、精确性、自主性和成本会有很大不同。烟草生产现场要求AGV机器人系统能高效、准确地采集卷接包机组生产线上各工位补料信息，高效准确地将辅料、废料等物料送达目标工位。
参考文献:
[1]周徐昌沈建森:惯性导航技术的原理和应用[J].兵工学报．2006，25（9）:55～58
[2]尤辉樊进跃杜晶:卷烟辅料自动运送系统研究[J]．物流科技．2002，12:51～57
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
[摘要] 本文研究了AGV移动机器人对周边环境信息感知和获取技术，分析并研究了AGV机器人在烟草企业生产现场的应用流程。
[关键词] AGV 光学导引 卷接包机组
一、概述
AGV自动导引小车属于搬运机器人，AGV具有自动化程度高、安全、灵活等特点，因而广泛应用于汽车制造、烟草等企业自动化生产和仓储系统，AGV是自动化柔性生产线、自动化高架立体仓库等现代化生产物流系统的关键设备之一。自动导引是AGV控制的核心技术，它决定了AGV的导引方式。按照导引原理的不同，分为固定路径导引和自由路径导引。固定路径导引是AGV运动路径周边部署信息标志装置，车载传感器在运动过程中实时检测并控制正确的运动方向，信息标志有导线、色带、反光板等。自主路径导引是AGV车载计算机预先设定运动路径的座标信息，运动过程中车载传感器实时检测当前坐标信息并与预定位置比较、判别，从而控制AGV机器人的运动。
二、AGV 机器人总体结构
AGV机器人由车辆本体、驱动、转向、控制、通信、安全保护、蓄电充电等模块组成。
AGV车辆本体模块由车体由车身和相关机械装置组成，是其它部件安装配置的平台。AGV驱动模块由车轮、变速、制动、驱动电机、控制电路等组成。AGV控制模块是系统的神经中枢，它将电机系统、传感器信号处理、驱动器控制、定位算法、电子地图及无线通讯等功能整合在一起，完成接收中央计算机命令完成AGV运动方向、速度、装卸、停靠等控制，以及避障、安全等控制。AGV的驱动模块由车轮、减速器、制动器、驱动单元、步进电机等组成，是控制AGV正常运行的装置。为了安全，在断电时制动装置能靠机械实现制动。AGV通信模块主要由无线数据通信实现AGV机器人和中央计算机的通信，AGV机器人和中央计算机均配置无线数据通信卡。AGV的转向包括中间轮速差转向、前轮转向和前后轮转向，转向模块直接决定了AGV的运动性能。安全模块包括对AGV机器人本身、对人或其它设备等的保护装置。蓄电和充电模块一般采用24V或48V直流蓄电池，能够快速充电，并保证连续工作8小时以上。
三、AGV 机器人周边环境感知技术
1.光学导引
光学导引属于固定路径导引。AGV运动路面配置色带，利用地面颜色和色带颜色的反差，确定AGV机器人的位置偏差，AGV运动如地面明亮配置黑色色带，如地面黑暗配置白色色带。AGV 机器人配置光源主动扫描色带光学传感器接收色带反射光线，并经数模转换为数字信号提交AGV车载处理器实时处理，车载处理器将处理结果提交驱动模块，由驱动回路控制驱动系统工作。当AGV偏离导引路径时，AGV检测到的亮度不同，经过处理器运算回路计算出相应偏差值，然后由控制回路对AGV的运行状态实时修正，使其回到导引路径上来，保证ＡＧＶ能够始终沿着色带的导引轨迹运行。图1是光学导引的原理图。
光学导引原理简单，运动路径地面设置简单易行，技术比较成熟，成本低，应用比较广泛。在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带，灵活性比较好，，但对色带的污染和机械磨损敏感，对环境要求高，导引可靠性较差，且很难实现精确定位。
图1 光学导引原理
2.激光导引
激光导引属于自主导引。激光导引AGV机器人利用激光器感知和获取周边环境信息。激光导引机器人由中央计算机、无线网络、激光器、直线驱动电机、旋转驱动电机、控制器等组成，中央计算机负责AGV机器人的调度，无线网络负责中央计算机和控制器之间的信息传输，直线电机驱动AGV机器人的X、Y方向的运动，旋转电机驱动激光器做回转运动以进行周边环境的360o扫描，控制器控制机器人具体动作。激光导引AGV结构见图2。
图2激光导引机器人结构
在AGV机器人移动路径沿途的墙壁或支柱配置具有反光特性的定位标志，安装在AGV机器人上的激光扫描器按照一定频率自动扫描并识别设置在运动路径周边的定位标志，激光扫描器实时地从3个以上定位标志采集反射光信号，AGV车载处理器根据这些定位标志的位置坐标、反射光线和扫描器的夹角、AGV当前运动方向，计算AGV当前位置，并和AGV内置数字地图进行比较，计算偏差量，控制下一步需要达到位置，并将命令发送控制器直接控制电机动作。
激光导引具有定位精度高，自主性强，智能化程度高，适应性、灵活性强等特点。采用激光导引，AGV机器人可在导引区内精确定位, 并根据生产工艺变化灵活改动运行路径。
3.惯性导引
惯性导引属于自主导引。AGV机器人利用惯性导航技术感知和获取周边环境信息。惯性导引（惯性导航）是一种自主导航技术，惯性导引利用牛顿运动定律原理，通过加速度计、陀螺仪等惯性组件测量并自动计算载体的瞬时速度和加速度等信息，由此，在载体运动过程中惯性组件能够连续不断地提供载体的全部导航和制导信息，从而实现自动导引。惯性导引它与周围物理环境无关，不靠辐射能量和无线电等的辅助，不受外界干扰，导航精度完全取决于元器件本身及其定位方法的组合。图3是AGV机器人惯性导引原理图。
AGV 机器人直接安装加速计、陀螺仪等惯性组件，并在AGV机器人运动路径安装定位标志行驶地面上安装定位标志， AGV 机载计算机实时采集惯性组件及其地面定位标志信号，采用陀螺仪检测AGV的方向角，通过驱动轮转数经编码器反馈来累积计算直线距离，初步确定AGV的当前位置；同时，通过检测光电信号进行纠偏定位，实现AGV的精确定位，导引机器人按照正确的路径运动，并停靠在正确的工作位置。
图3惯性导引原理
惯性导引具有定位精度高，便于灵活组合，柔性好，同时，惯性导引对机器人运动路径和周边环境适应性强等特点。
4.AGV机器人在烟草生产现场应用
烟草企业的卷烟生产主要包括制丝(原料加工)、卷接(卷制成型)、包装(包装成品)等工艺过程。AGV机器人能实现自动导向、自动停车、自动装卸、自动避障、安全保护等功能，AGV机器人能方便灵活地自动出入各类生产、装配线、输送线、工作台、工位、货架等，充分适应了卷烟生产中卷接、包装等自动化生产线柔性高、物料流动量大，生产线路径复杂等要求。因此，AGV机器人在烟草企业自动化生产线、高架立体仓库中具有广泛应用。
烟草企业卷烟工艺是以卷接包机组为生产核心，以主料和辅料多途径输送为基础的生产模式，AGV机器人主要应用于配方原料、卷包辅料、成型原辅料、生产废料等的输送和装卸。AGV机器人在烟草企业生产现场的主要作业流程如下：
(1)当卷接包装生产线某个工位需补充物料时，工作人员按动计算机上补料按钮并通过无线网络自动发送补料请求。
(2)中央计算机通过无线网络自动接收补料请求，根据当前所有AGV的状态、任务、位置等要素进行排队计算，选择一个最近的空闲AGV；如当前所有AGV都处于工作状态，则选择距离工作结束时间最短的机器人进入排队状态。
(3)根据需补充物料起始位置、目标位置、AGV机器人当前位置，规划AGV机器人运动路径，并将规划路径等命令发送AGV机器人。
(4)AGV车载计算机对任务进行分析，根据运动过程中周边环境的变化自动计算并调整路径，自动装卸物料。
(5)AGV车载计算机按照一定的频率通过无线网络向中央计算机发送当前的位置和状态;中央计算机通过无线网络接收各工位发送补料请求。重复第(1)到(5)的过程。
引导方式不同，AGV机器人的灵活性、精确性、自主性和成本会有很大不同。烟草生产现场要求AGV机器人系统能高效、准确地采集卷接包机组生产线上各工位补料信息，高效准确地将辅料、废料等物料送达目标工位。
参考文献:
[1]周徐昌沈建森:惯性导航技术的原理和应用[J].兵工学报．2006，25（9）:55～58
[2]尤辉樊进跃杜晶:卷烟辅料自动运送系统研究[J]．物流科技．2002，12:51～57
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。