AGV的发展史以及现状和瓶颈
无人搬运车(Automated-Guided-Vehicle,简称AGV),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,工业应用中不需驾驶员的搬运车,以可充电之蓄电池为其动力来源。一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为,或利用电磁轨道(electro-magnetic-path-following-system)来设立其行进路线,电磁轨道黏贴於地板上,无人搬运车则依循电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作。
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。
50年代AGV 已在欧洲推广应用,多种类型的牵引式AGV已用于工厂和仓库;
60年代将计算机技术用于AGV 系统控制与管理;
70年代基本的导引技术是靠感应埋在地下的导线产生的电磁频率。通过一个叫做“地面控制器”的设备打开或关闭导线中的频率,从而指引AGV沿着预定的路径行驶。AGV 应用范围不断扩大,1973年,位于瑞典卡尔马市的沃尔沃装配厂着手BJ311型激光导引运输车操作使用说明书发展异步设备装配线,来替代传统的传送带式装配线,至此,由计算机控制的装配型AGV 数量达到了280 辆;
80年代无线式导引技术引入到AGV系统中,例如利用激光和惯性和磁条和视觉进行导引,这样提高了AGV 系统的灵活性和准确性,而且,当需要修改路径时,也不必改动地面或中断生产。这些导引方式的引入,使得导引方式更加多样化了。AGV 随计算机技术的发展而发展,成本降低,性能先进,普及迅速,已形成新的产业;
90年代全世界的AGV 生产厂家达到几百家个,车型也超过了上百种。AGV 进入高智能化,数字化,网络化,信息化时代。
国内AGV发展史
(磁导航传感器=磁导航产品=磁导传感器=地标传感器=站点传感器=磁传感器=磁导航=导航传感器=导航地标磁条)
历史沿革
1958年–1962年 | 中国科学院沈阳自动化研究所筹建时期。先后经历了辽宁电子技术研究所自动化(903)专业、中国科学院辽宁分院自动化研究所、中国科学院东北工业自动化研究所等阶段。 |
1968年–1970年 | 业务工作由国防科委第十五研究院代管。 |
1970年7月 | 回归中国科学院。 |
1972年8月 | 名称确定为“中国科学院沈阳自动化研究所”。 |
1958年–1978年 | 主要研究方向为自动化技术、计算机应用、光电跟踪系统、数控技术等。 |
1984年 | 依托沈阳自动化研究所建设的国家机器人示范工程正式启动。 |
1989年 | 建立中国科学院机器人学开放实验室。 |
1996年 | 依托机器人示范工程建立机器人技术国家工程研究中心。 |
1997年 | 中国科学院开展研究所分类定位试点工作,沈阳自动化研究所成为全院首批获得批准进行分类定位的单位之一,定位为先进制造与自动化领域高技术研究与开发基地型研究所。 |
1999年 | 作为首批12个试点单位之一,率先成为中国科学院知识创新工程试点,开始全面启动知识创新工程试点工作。 |
1979年–1998年 | 主要研发领域是:以机器人技术为主导方向,发展自动控制技术、高精度电视跟踪技术、工程自动化总体技术。 |
2000年 | 建立沈阳新松机器人自动化股份有限公司,工业机器人产业化迈出实际的步伐。以新松公司注册独立运行为标志,研究所投资的高技术公司开始与研究所主体分离,并市场化运营。 |
2000年-2020年 | 新松、机科、昆船、艾吉威、华晓精密、嘉腾、驰众、远能、井源、欧铠、斯坦德、迦智、智伟达、六维、佳顺、三丰、厚达等公司主要研发磁条导航技术以外的惯性导航技术,激光导航技术,视觉导航技术,高精度UWB室内外定位系统技术,万物互联技术等与AGV技术相融 |
AGV的优点
(1)自动化程度高
由计算机,电控设备,激光反射板,激光3DSLAM,视觉3DSLAM,传感器,算法等控制。
当车间某一环节需要辅料时,由工作人员向计算机终端输入相关信息,计算机终端再将信息发送到中央控制室,由专业的技术人员向计算机发出指令,在电控设备的合作下,这一指令最终被AGV接受并执行——将辅料送至相应地点。
(2)充电自动化
当AGV小车的电量即将耗尽时,它会向系统发出请求指令,请求充电(一般技术人员会事先设置好一个值),在系统允许后自动到充电的地方"排队"充电。
另外,AGV小车的电池寿命很长(10年以上),并且每充电15分钟可工作4h左右【根据电池的设计决定工作时间的长短】未来也可以无线充电,一边工作一边充电。
(3)美观,提高观赏度,从而提高企业的形象
(4)方便,快捷,小巧,灵活,减少占地面积;生产车间的AGV小车可以在各个车间穿梭往复。
综合分析AGV技术的发展,我们不难分析出国内外AGV有两种发展模式:第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术,这类技术追求AGV的自动化,几乎完全不需要人工的干预,路径规划和生产流程复杂多变,能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善,技术先进,同时为了能够采用模块化设计,降低设计成本,提高批量生产的标准,欧美的AGV放弃了对外观造型的追求,采用大部件组装的形式进行生产。系列产品的覆盖面广:各种驱动模式,各种导引方式,各种移载机构应有尽有,系列产品的载重量可从50kg到以上百吨以上。由于技术的不断提升,未来大吨位的AGV需求量会大增,不过由于国内配套体系不健全,核心的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产,技术水平与国际水平相当。第二种是以日本为代表的简易型AGV技术——或只能称其为AGC(AutomatedGuidedCart),该技术追求的是简单实用,极力让用户在最短的时间内收回投资成本,这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛,从数量上看,日本生产的大多数AGV属于此类产品(AGC)。该类产品完全结合简单的生产应用场合(单一的路径,固定的流程),AGC只是用来进行搬运,并不刻意强调AGC的自动装卸功能,在导引方面,多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达,AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件,使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用,2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低,目前国内已有多家企业可生产此类产品。
AGV系统构成
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 am I going?(我要去哪里?)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(Layoutdesigning),AGV的导引控制(Guidance)。为了能够解决好这些问题,AGV系统的构成也必然复杂。
AGV控制系统分为地面(上位)控制系统、车载(单机)控制系统及导航/导引系统,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;导航/导引系统为AGV单机提供系统绝对或相对位置及航向。
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(Simulation)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。
地面控制系统
AGV地面控制系统(StationarySystem)即AGV上位控制系统,是AGV系统的核心。其主要功能是对AGV系统(AGVS)中的多台AGV单机进行任务分配,车辆管理,交通管理,通讯管理等。
任务管理:AGV地面控制程序的解释执行环境;提供根据任务优先级和启动时间的调度运行;提供对任务的各种操作如启动、停止、取消等。
车辆管理:AGV管理的核心模块,它根据物料搬运任务的请求,分配调度AGV执行任务,根据AGV行走时间最短原则,计算AGV的最短行走路径,并控制指挥AGV的行走过程,及时下达装卸货和充电命令。
交通管理:AGV的物理尺寸大小、运行状态和路径状况,提供AGV互相自动避让的措施,同时避免车辆互相等待的死锁方法和出现死锁的解除方法;AGV的交通管理主要有行走段分配和死锁报告功能。
通讯管理:AGV地面控制系统与AGV单机、地面监控系统、地面IO设备、车辆仿真系统及上位计算机的通信功能。和AGV间的通信使用无线电通信方式,需要建立一个无线网络,AGV只和地面系统进行双向通信,AGV间不进行通信,地面控制系统采用轮询方式和多台AGV通信;与地面监控系统、车辆仿真系统、上位计算机的通信使用TCP/IP通信。
车辆驱动:AGV状态的采集,并向交通管理发出行走段的允许请求,同时把确认段下发AGV。
车载控制系统
AGV车载控制系统(OnboardSystem),即AGV单机控制系统,在收到上位系统的指令后,负责AGV单机的导航,导引,路径选择,车辆驱动,装卸操作等功能。
导航(Navigation):AGV单机通过自身装备的导航器件测量并计算出所在全局坐标中的位置和航向。
导引(Guidance):AGV单机根据目前的位置、航向及预先设定的理论轨迹来计算下个周期的速度值和转向角度值即,AGV运动的命令值。
路径选择(Searching):AGV单机根据上位系统的指令,通过计算,预先选择即将运行的路径,并将结果报送上位控制系统,能否运行由上位系统根据其它AGV所在的位置统一调配。AGV单机行走的路径是根据实际工作条件设计的,它有若干"段"(Segment)组成。每一"段"都指明了该段的起始点、终止点,以及AGV在该段的行驶速度和转向等信息。
车辆驱动(Driving):AGV单机根据导引(Guidance)的计算结果和路径选择信息,通过伺服器件控制车辆运行。
导航/导引方式及特点
AGV之所以能够实现无人驾驶,导航和导引对其起到了至关重要的作用,随着技术的发展,目前能够用于AGV的导航/导引技术主要有以下几种:
直接坐标(CartesianGuidance)
用定位块将AGV的行驶区域分成若干坐标小区域,通过对小区域的计数实现导引,一般有光电式(将坐标小区域以两种颜色划分,通过光电器件计数)和电磁式(将坐标小区域以金属块或磁块划分,通过电磁感应器件计数)两种形式,其优点是可以实现路径的修改,导引的可靠性好,对环境无特别要求。缺点是地面测量安装复杂,工作量大,导引精度和定位精度较低,且无法满足复杂路径的要求。
电磁导引(WireGuidance)
电磁导引是较为传统的导引方式之一,目前仍被许多系统采用,它是在AGV的行驶路径上埋设金属线,并在金属线加载导引频率,通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。其主要优点是引线隐蔽,不易污染和破损,导引原理简单而可靠,便于控制和通讯,对声光无干扰,制造成本较低。缺点是路径难以更改扩展,对复杂路径的局限性大。
磁带导引(MagneticTapeGuidance)
与电磁导引相近,用在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线,通过磁感应信号实现导引,其灵活性比较好,改变或扩充路径较容易,磁带铺设简单易行,但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰,磁带易受机械损伤,因此导引的可靠性受外界影响较大。
光学导引(OpticalGuidance)
在AGV的行驶路径上涂漆或粘贴色带,通过对摄像机采入的色带图象信号进行简单处理而实现导引,其灵活性比较好,地面路线设置简单易行,但对色带的污染和机械磨损十分敏感,对环境要求过高,导引可靠性较差,精度较低。
激光导航(LaserNavigation)
激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板,AGV通过激光扫描器发射激光束,同时采集由反射板反射的激光束,来确定其当前的位置和航向,并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是,AGV定位精确;地面无需其他定位设施;行驶路径可灵活多变,能够适合多种现场环境,它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式;缺点是制造成本高,对环境要求较相对苛刻(外界光线,地面要求,能见度要求等),不适合室外(尤其是易受雨、雪、雾的影响)。
惯性导航(InertialNavigation)
惯性导航是在AGV上安装陀螺仪,在行驶区域的地面上安装定位块,AGV可通过对陀螺仪偏差信号(角速率)的计算及地面定位块信号的采集来确定自身的位置和航向,从而实现导引。此项技术在军方较早运用,其主要优点是技术先进,较之有线导引,地面处理工作量小,路径灵活性强。其缺点是制造成本较高,导引的精度和可靠性与陀螺仪的制造精度及其后续信号处理密切相关。
视觉导航(VisualNavigation)
对AGV行驶区域的环境进行图象识别,实现智能行驶,这是一种具有巨大潜力的导引技术,此项技术已被少数国家的军方采用,将其应用到AGV上还只停留在研究中,目前还未出现采用此类技术的实用型AGV。可以想象,图象识别技术与激光导引技术相结合将会AGV更加完美,如导引的精确性和可靠性,行驶的安全性,智能化的记忆识别等都将更加完美。
GPS(全球定位系统)导航(GlobalPositionSystem)
通过卫星对非固定路面系统中的控制对象进行跟踪和制导,目前此项技术还在发展和完善,通常用于室外远距离的跟踪和制导,其精度取决于卫星在空中的固定精度和数量,以及控制对象周围环境等因素。由此发展出来的是iGPS(室内GPS)和dGPS(用于室外的差分GPS),其精度要远远高于民用GPS,但地面设施的制造成本是一般用户无法接受的。
UWB(Ultra Wideband)
是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展,认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。总的来说,UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输,近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。UWB又名超宽带。UWB无线通信是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方,UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米-50米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面就广。
天网、云计算 智能制造 深度学习 5G 大数据 物联网 人工智能BIM&CIM模型等辅助无人驾驶车辆,借助信息化技术引领设计业务转型升级,并实现从智慧建筑、智慧社区、智慧园区、智慧城市的全过程、全要素、全参与方的顶层设计,联合团队通力合作,创新构建新型智慧城市的生态体系。新一代信息技术与智造深度融合确保万物互联安全 可靠 高效 稳定。
(AGV/AMR)现状
2020年是与众不同,也是机遇与挑战格外凸显的一年,在全球经济下行和紧张的大环境下,中国制造业虽然得到了较为快速的恢复和发展,但仍然未能达如期水平。但与此相对应的,一方面是机器人替代人工的大势所趋,另一方面是新兴制造业的迫切转型和升级,由此,移动机器人不仅在民生、经济生活中发挥了更大作用,而且也给制造业提供了大量的支撑。2020年5月份疫情放缓之后,移动机器人在国内的市场取得了明显的增速。
自动化搬运正在渗透各个行业,作为其核心设备,AGV在成为智能仓储标配的同时也在不断拓宽领域,而AGV技术也在不断发展以适应更多的应用场景,例如在大型设备和产品运输要求越来越严格的场景下,AGV的构造和承载也发生了变化,重载AGV应运而生,开始进入市场应用。
重载式AGV以大尺寸、高承载为特征,它可以完成对一些大型物体的加工制造、搬运等操作的自动化。在一些重型机械厂、还有铁路交通、特种行业、港口机场、大型电压器厂、重型汽车制造厂等等这些场所都是需要大型吨位的AGV来满足。近两年,随着重载AGV应用领域的扩大,一些企业也纷纷开发了相关产品。
(AGV/AMR)瓶颈
技术难度大,企业进入门槛高
国内目前已有一批企业相继开发了重载型AGV,但细看之下可以发现,从新松、昆船到振华重工等重型AGV开发厂商以老牌的AGV企业和大型机械设备厂商为主,新兴企业相对较少,究其原因,个人认为有以下几点:技术难度相对较大。对于AGV而言,重载AGV将面临更高的技术条件和配套支持,重载型AGV技术难点较多而且与轻载型的AGV设计结构有很大的不同,零部件选购标准也都不一样,因此,相对于普通AGV而言,企业在进入重载AGV这一领域时,研发和生产门槛都相对较高。
应用领域进入门槛高。重型AGV的主要应用领域集中在港口码头、铁路交通以及一些特种行业,而这些行业对于设备的选择是非常严谨的,一般企业要想进入难度很大。例如在去年完工的洋山港四期码头中,其使用的自动化设备均由振华重工提供,其中包括多台重载AGV,与这种大型的机械设备厂商相比,无论是整套系统设备的能力还是整体项目规划能力,普通的AGV厂商根本无法与之相比。
不过尽管技术门槛和市场门槛都较高,但还是有越来越多的企业开始进入到重载AGV这一领域,除了意在拓宽自身产品线之外,最大的原因还在于,相较于一般AGV,重载型AGV的利润更高。
在利润驱使下,企业想要进入也不足为奇,只是这一细分领域更加注重机器人作业的稳定性和安全性,但现阶段国内AGV技术和制造商水平良莠不齐,能满足重型AGV机器人的高精技术和高端生产要求的厂家其实并不多,不过相信随着需求的扩大,重载AGV行业发展的速度也会越来越快。
配套件成本高
由于3D SLAM自由导航技术门槛较高,目前,市场上无人叉车定位导航方式主要以三维 二维激光导航为主视觉为辅,结合布设的反光板信标 无反光板技术可实现高精定位,但是大多数AGV厂家,想让AGV大量普及,因技术问题,无人叉车在室内场景适应性非常有限,室外更是无法操作【全国只有少部分人懂这个技术嫁接】,其行驶路径始终不如人工驾驶叉车来得灵活。此外,无人叉车采用的主传感器以国外品牌的激光雷达为主,价格贵得惊人。纵然,近两年随着国产激光雷达慢慢起来,国外激光雷达的价格开始略显回落,但一套采用二维激光导航方案的叉车价格,进口品牌的要40万左右(甚至还有60万的),国产的大致也要30万。如今终端用户对于无人叉车的需求已然非常明确,但是当前市面上的无人叉车产品对客户而言性价比太低了。正如以上所分析的,不能灵活适应场景需求、还很贵,这是当前无人叉车市场备受抑制的两大痛点。产品与市场需求尚未能完全匹配,人工成本越来越高,企业更加需要机器人方案来缓解劳动力短缺问题和成本压力,从而降本增效。当前无人叉车核心技术国产化程度不高,以致成本居高不下,投资回报率相对较低,这在很大程度上让第一梯队的叉车公司放缓了对无人叉车市场的推动力度。而在这个时机间隙,如果有谁能突围而出,无人叉车这片蓝海将无比广阔。
传统市场的竞争本已充分激烈,而人力、财力相对弱势的第二、第三梯队企业,面对尚不成熟的新技术,难免力不从心。此时危机四伏,不铆足魄力大干一场,不然分分钟就在这一轮技术迭代的风暴中被淹没。无论是叉车企业还是终端用户,降本增效是万年不变的追求。
竞争激烈——价格战加剧 行业整合加速
根据相关调研显示,受访企业家预计新冠肺炎对企业整体影响约5个月左右,在企业营收下降的同时,还要应付固定房租、员工工资等支出,55%的企业表示现金流紧张,仅4%企业表示现金流没受到影响。疫情期间,对于中小公司而言,充沛的现金流和利润就可以看作是一个公司的免疫力。而保持现金流的稳定,开源节流是关键——AGV厂商要有足够的项目。
但因为疫情,年初全国乃至全球的经济陷入停滞和延缓状态,虽然中国的疫情目前已经得到基本控制,但制造业生产和经济运行总体来说仍然不够活跃,从企业表现出来的情况看,绝大部分企业的成本支出受到缩减,压力倍增。在这种时期,为了获得更多的企业订单,不少机器人企业陷入了以价格为上策的竞争手段,“价格战”现象大有愈演愈烈之势。
在行业整体僧多肉少的同时,头部企业的优势更加明显,行业整合开始加速。
扩张放缓——海外业务受阻
除了国内总体项目减少,上半年,国产AGV企业海外业务的施行及扩张也受到了影响。
有业内人士曾表示,“这次疫情对国产移动机器人海外市场的影响非常大,一方面,目前全球市场都受到了很大的冲击,这从股市可以看到,而全球经济恶化以后国外市场需求就会减少,这当然也会导致海外移动机器人市场需求的明显萎缩。另一方面,我们国家现在到很多主要疫情国包括主要工业国之间的入境访问都受到了限制,所以国内企业对海外项目的商务参与能力也是明显下降的,而且即使能够中标海外的一些项目,由于签证困难还有入境隔离的一些影响,工程实施的难度也非常大。”所以从市场萎缩到工程实施及实施的成本等各个方面来看,疫情期间海外市场并不是特别青睐中国的供货商。