自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車（AGV）系統(tǒng)研究

摘要：自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車（AGV）系統(tǒng)由全鋰電池驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車，集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，自動(dòng)充電裝置及配套的無(wú)線電臺(tái)，供配電、通訊和控制系統(tǒng)組成，采用全電動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的集裝箱拖車，可替代港內(nèi)集裝箱拖車進(jìn)行水平運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭水平運(yùn)輸自動(dòng)導(dǎo)航、無(wú)人駕駛、全電動(dòng)、零直接二氧化碳排放。按年設(shè)計(jì)吞吐量70萬(wàn)標(biāo)箱測(cè)算，每年可節(jié)約能源消耗約350萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳?xì)怏w排放約1150噸。1.技術(shù)概況AGV（AutomatedGuidedVehicle）即自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車，“廣義”上是指基于各種定位導(dǎo)航技術(shù)，不需要人駕駛的自動(dòng)運(yùn)輸車輛。廈門遠(yuǎn)海集裝箱碼頭自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車（AGV）系統(tǒng)是廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭建設(shè)配套項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用全電動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的集裝箱拖車，是聯(lián)合了國(guó)內(nèi)主要港機(jī)制造商進(jìn)行自主研發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，能有效減少溫室氣體及有害物質(zhì)排放，對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)具有重要意義。項(xiàng)目在廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭原有的傳統(tǒng)14#集裝箱泊位上進(jìn)行道路改造，配置18臺(tái)全鋰電池驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車，8臺(tái)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，18臺(tái)自動(dòng)充電裝置及配套的無(wú)線電臺(tái)，供配電、通訊和控制系統(tǒng)，形成自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車替代港內(nèi)集裝箱拖車，實(shí)現(xiàn)港內(nèi)集裝箱水平運(yùn)輸。2.技術(shù)原理和內(nèi)容2.11技術(shù)原理自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)載車（AGV）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度、自動(dòng)化控制，無(wú)人操作，提高集裝箱傳送效率。AGV系統(tǒng)控制包括車輛管理系統(tǒng)（VMS）、導(dǎo)航系統(tǒng)（NS）、小車控制系統(tǒng)（VCS）三個(gè)層次。VMS接收碼頭管理系統(tǒng)（TOS）發(fā)送的AGV起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，依據(jù)AGV調(diào)度策略指定AGV并生成AGV最優(yōu)路徑；導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，依照路徑指令計(jì)算出當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和掌舵角度并且傳輸給VCS，而VCS能夠控制小車上的電動(dòng)機(jī)和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從而響應(yīng)收到的指令。通過(guò)這樣的方式，AGV能夠沿著軌跡獨(dú)立在岸橋和自動(dòng)堆垛之間運(yùn)行。2.22實(shí)施方案AGV導(dǎo)航自動(dòng)化系統(tǒng)（NavigationSystem），作為連接AGV電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及車隊(duì)管理系統(tǒng)的橋梁，其主要任務(wù)是：（1）實(shí)時(shí)計(jì)算AGV當(dāng)前在堆場(chǎng)中的絕對(duì)位置并上傳給VMS，以實(shí)現(xiàn)AGV車隊(duì)的調(diào)度與交通控制。（2）根據(jù)VMS下發(fā)的行車指令，向VS系統(tǒng)傳遞AGV車速、車輪角度等指令，控制AGV沿著一定路徑運(yùn)行到指定位置，參與集裝箱的裝卸任務(wù)。（3）根據(jù)VMS下發(fā)的一些操作指令（開(kāi)關(guān)卷簾門、充電啟停、電池回路上電斷電、車輛故障復(fù)位、重啟導(dǎo)航控制器），傳遞給VS系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作指令，控制其完成某些組合動(dòng)作。（4）使用外部傳感器（超聲波傳感器，2D激光雷達(dá)），對(duì)AGV周圍環(huán)境進(jìn)行感知，保障AGV單機(jī)的行車安全，防止與其他AGV或者場(chǎng)地中的障礙物發(fā)生碰撞。導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、SICK激光防撞系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)系統(tǒng)都相互關(guān)聯(lián)。AGV-NS系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1。圖1AGV-NS系統(tǒng)框架圖定位系統(tǒng)：天線－磁釘（transponder）定位子系統(tǒng)，其首先需要在AGV的運(yùn)行場(chǎng)地中布置磁釘，每一個(gè)磁釘都記錄著其在堆場(chǎng)坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)。在AGV底盤的前端和后端，對(duì)稱安裝一對(duì)檢測(cè)天線。天線在覆蓋磁釘時(shí)可以測(cè)量到磁釘?shù)奈恢?，同時(shí)讀出磁釘在堆場(chǎng)中的絕對(duì)位置。這樣，當(dāng)AGV上兩個(gè)天線能同時(shí)檢測(cè)到磁釘時(shí)，就可以直接計(jì)算出AGV的位置（見(jiàn)圖2）。在這一工況下，導(dǎo)航定位的精度完全由天線的檢測(cè)精度決定，導(dǎo)航系統(tǒng)可獲得很高的精度。圖2定位系統(tǒng)在不滿足上述工況時(shí)，僅通過(guò)天線－磁釘系統(tǒng)不能獲得AGV的位置，需要進(jìn)行位置估算才能完成導(dǎo)航定位。位置估算基于AGV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并綜合更多的傳感器信息，包括慣性測(cè)量傳感器（陀螺儀及加速度計(jì)）、車輪轉(zhuǎn)速編碼器、轉(zhuǎn)向角編碼器，進(jìn)行信息融合后計(jì)算出AGV的位置信息（見(jiàn)圖3）。在這一工況下，估算的誤差主要由AGV模型與實(shí)際車輛的誤差決定，且估算的誤差可能隨著時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增加。在AGV實(shí)際的運(yùn)行中，導(dǎo)航系統(tǒng)將在上述兩種工況中交替運(yùn)行，AGV位置的估算誤差也會(huì)不斷波動(dòng)，通常導(dǎo)航定位的總體精度由位置估算算法決定。圖3AGV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：AGV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)AGV當(dāng)前的位置以及AGV根據(jù)車輛管理系統(tǒng)下發(fā)指令而生成的軌跡信息，在滿足最大速度限制以及車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的約束下，控制前后電機(jī)速度和前后橋車輪角度，來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV從A點(diǎn)到B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)航系統(tǒng)收到車輛管理系統(tǒng)下發(fā)的AGV目標(biāo)點(diǎn)信息后，會(huì)根據(jù)到目標(biāo)點(diǎn)的里程信息，來(lái)規(guī)劃AGV運(yùn)行中的速度曲線，并結(jié)合當(dāng)前的載重，給定不同的加、減速度來(lái)驅(qū)動(dòng)AGV行駛。當(dāng)AGV以一定速度對(duì)規(guī)劃的軌跡進(jìn)行跟蹤時(shí)，會(huì)得到跟蹤偏差，導(dǎo)航系統(tǒng)使用PID算法，計(jì)算出車輪角度，使AGV朝著期望的位置進(jìn)行糾偏。在角度計(jì)算時(shí)還要考慮到AGV由前橋驅(qū)動(dòng)橋構(gòu)成，需要根據(jù)前后橋的約束條件，以及單個(gè)驅(qū)動(dòng)橋的阿克曼模型約束條件，防止AGV出現(xiàn)車輪打滑、車輪干涉等問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型見(jiàn)圖4。圖4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)：無(wú)線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收車隊(duì)管理系統(tǒng)的AGV指令信息，并反饋AGV的位置信息和運(yùn)動(dòng)信息給車隊(duì)管理系統(tǒng)，同時(shí)無(wú)線通信系統(tǒng)還反饋AGV的故障和各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到RCMS系統(tǒng)，用于對(duì)歷史故障和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)保存。無(wú)線通信系統(tǒng)是通過(guò)安裝在單機(jī)上的無(wú)線設(shè)備和水平運(yùn)輸區(qū)域中的無(wú)線基站相互通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。安裝在AGV上的無(wú)線設(shè)備以及無(wú)線基站都有冗余，采用158和160雙網(wǎng)段，可以保證AGV在任何角度和位置，都至少有一個(gè)天線與基站相連接，保證了基站信號(hào)的覆蓋和無(wú)線通信的可靠性。SICK避障系統(tǒng)：激光掃描器掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置，推算出障礙物與AGV之間的位置關(guān)系。導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)AGV的運(yùn)行狀態(tài)，分為直行激光保護(hù)、蟹行激光保護(hù)、轉(zhuǎn)彎激光保護(hù)三種類型。其基本原理是基于多邊形區(qū)域的障礙物檢測(cè)，多邊形區(qū)域的選擇以AGV完成相關(guān)運(yùn)行動(dòng)作時(shí)AGV車身外輪廓形成的包絡(luò)線為原型，考慮到AGV運(yùn)行中存在的位置誤差以及激光器的探測(cè)誤差，對(duì)輪廓包絡(luò)線進(jìn)行調(diào)整后得到。激光器可以提前檢測(cè)到AGV運(yùn)行路徑上出現(xiàn)的障礙物，可根據(jù)車速、載重等信息，計(jì)算可控停車和緊急停車的臨界距離。車輛管理系統(tǒng)（VMS）負(fù)責(zé)對(duì)接收到的調(diào)度任務(wù)信息，如裝箱、卸箱、堆區(qū)與堆區(qū)間箱的轉(zhuǎn)接等任務(wù)進(jìn)行分析、整理和調(diào)度，并將任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)等信息反饋給調(diào)度系統(tǒng)。車輛管理系統(tǒng)見(jiàn)圖5。圖5車輛管理系統(tǒng)2.3車隊(duì)作業(yè)范圍管理運(yùn)行區(qū)域管理：（1）運(yùn)行狀態(tài)信息管理；（2）能量管理（剩余能量、總?cè)萘?、可行駛時(shí)間或路程、電池信息、充電次數(shù)等）；（3）作業(yè)任務(wù)信息管理；（4）車輛性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。交通控制：（1）針對(duì)某個(gè)作業(yè)任務(wù)，當(dāng)有多條路徑可供選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循一定的原則，找到一條最佳作業(yè)路徑；（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛之間是否會(huì)發(fā)生路徑?jīng)_突；（3）防止車輛之間發(fā)生碰撞；（4）根據(jù)車輛作業(yè)的優(yōu)先級(jí)，控制車輛的通行次序；（5）到達(dá)預(yù)通知。任務(wù)管理系統(tǒng)：（1）獲取調(diào)度下發(fā)的任務(wù)并反饋執(zhí)行狀態(tài)；（2）根據(jù)任務(wù)信息指揮AGV進(jìn)行收箱、送箱作業(yè)；（3）管理任務(wù)在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中狀態(tài)變化的反饋和更新；（4）統(tǒng)計(jì)分析一段時(shí)間內(nèi)裝卸任務(wù)的時(shí)間和效率等。用戶操作管理：（1）人工控制AGV運(yùn)動(dòng)；（2）移動(dòng)AGV到堆場(chǎng)指定位置；（3）暫停、恢復(fù)AGV運(yùn)動(dòng)；（4）岸橋下微調(diào)AGV位置；（5）重發(fā)指令；（6）人工充電；（7）人工控制伴侶頂升、避讓動(dòng)作；（8）根據(jù)作業(yè)情況修改系統(tǒng)配置。安全控制：（1）AGV進(jìn)出堆場(chǎng)充電車道檢測(cè)滑觸線狀態(tài)；（2）AGV進(jìn)出堆場(chǎng)伴侶車道檢測(cè)伴侶狀態(tài)與AGV。帶箱情況：AGV在岸橋下微調(diào)范圍不能超過(guò)2m。2.4異常處理AGV執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中發(fā)生各種無(wú)法繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行或影響任務(wù)執(zhí)行的情況，會(huì)彈出異常通知操作人員。操作人員根據(jù)異常信息及對(duì)應(yīng)的處理方法解決問(wèn)題，任務(wù)恢復(fù)自動(dòng)執(zhí)行。3.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)AGV自20世紀(jì)90年代開(kāi)始逐步投入商用，第一代AGV采用了柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制存在“先天不足”，不僅行駛性能有限，并且存在著維護(hù)困難、能耗較高、噪聲污染和廢氣排放等嚴(yán)重的問(wèn)題。隨著21世紀(jì)動(dòng)力能源技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，AGV已經(jīng)發(fā)展出了多個(gè)換代產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)形式已基本改用電池+電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。特別是在能源供應(yīng)系統(tǒng)部分，歷經(jīng)了多種形式的變遷，從大中型柴油機(jī)組向蓄電池組等綠色能源逐步過(guò)渡。廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化AGV通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行必要的分析和梳理，總結(jié)AGV運(yùn)行工況的特點(diǎn)，針對(duì)其特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化動(dòng)力能源系統(tǒng)的配置，制定切實(shí)有效的節(jié)能減排方案，促使能源利用效率提高，避免冗余能源的浪費(fèi)，最終達(dá)到節(jié)能減排的目的。為了達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能環(huán)保效果，廈門遠(yuǎn)海選擇純鋰電池作為能源系統(tǒng)，不僅使得AGV能源系統(tǒng)簡(jiǎn)化，并且在動(dòng)力輸出和能量回收時(shí)具有更好的控制靈活度。此外還完全杜絕了廢氣排放和噪聲污染的問(wèn)題。圖6AGV能源簡(jiǎn)化系統(tǒng)4.技術(shù)應(yīng)用情況AGV技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟，集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引車AGV在自動(dòng)化集裝箱碼頭的保有量較大，潛在增量大。目前廈門遠(yuǎn)海有18臺(tái)AGV，投入使用6年。傳統(tǒng)碼頭需要對(duì)設(shè)備以及基建進(jìn)行改造，新造的自動(dòng)化碼頭在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)可考慮用AGV或者IGV作為水平運(yùn)輸工具。國(guó)內(nèi)運(yùn)用該技術(shù)的有廈門遠(yuǎn)海碼頭、青島港全自動(dòng)化集裝箱碼頭、上海洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭以及正在建設(shè)的南沙四期自動(dòng)化碼頭、廣西北部灣欽州港。其中，廈門遠(yuǎn)海全自動(dòng)化集裝箱碼頭的泊位長(zhǎng)度為446m，碼頭縱深為345m，使用三臺(tái)自動(dòng)化雙小車岸橋、16臺(tái)自動(dòng)化軌道吊、18臺(tái)AGV、8臺(tái)AGV伴侶。經(jīng)使用后測(cè)算顯示，AGV采用全電動(dòng)力系統(tǒng)，比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備更節(jié)能降耗、降低設(shè)備成本、提高經(jīng)濟(jì)性，消除了廢氣排放和噪聲污染，實(shí)現(xiàn)綠色零排放，達(dá)到了環(huán)保的效果。5.技術(shù)效益分析5.1節(jié)能低碳效益通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)航車AGV技術(shù)改造項(xiàng)目后，按現(xiàn)自動(dòng)化碼頭作業(yè)的吞吐量41.2萬(wàn)自然箱，18臺(tái)AGV推算出可節(jié)約燃油量為

350.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤，每年減少直接二氧化碳排放

1150噸。詳見(jiàn)表1所示的AGV耗能測(cè)算表-箱量計(jì)算方式。表1AGV耗能測(cè)算表-箱量計(jì)算方式5.2經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)廈門遠(yuǎn)海集裝箱自動(dòng)化碼頭14#泊位的規(guī)劃布局、集裝箱吞吐量預(yù)測(cè)、到港船型分析、各港區(qū)功能分工、海滄港區(qū)功能定位，14#泊位設(shè)計(jì)年吞吐量為62~88萬(wàn)標(biāo)箱/年，相當(dāng)于在原設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上增加20%~70%的吞吐能力。全自動(dòng)化集裝箱碼頭的特點(diǎn)是初期投資較大，是傳統(tǒng)碼頭的兩倍，但年?duì)I運(yùn)成本較小，是傳統(tǒng)碼頭年運(yùn)營(yíng)成本的63%，如表2所示。表2兩種情況對(duì)比結(jié)果5.3社會(huì)效益本項(xiàng)目符合國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中“制造業(yè)”和“信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)”的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向。本項(xiàng)目也符合交通運(yùn)輸部的“十二五”水運(yùn)節(jié)能重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向，將成為“十二五”期間集裝箱碼頭全電力裝卸技術(shù)的范本。由于我國(guó)集裝箱碼頭堆場(chǎng)通常都為平行岸線布置，廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭將為其他碼頭的技術(shù)升級(jí)提供參考。全自動(dòng)化集裝箱碼頭綜合效益經(jīng)測(cè)算約為傳統(tǒng)碼頭的1.3~1.7倍，是未來(lái)先進(jìn)全自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有港口行業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重大意義。廈門市是海峽西岸重要的中心城市，本項(xiàng)目位于廈門海滄港區(qū)，是廈門建設(shè)東南國(guó)際航運(yùn)中心的基地。廈門遠(yuǎn)海建設(shè)全自動(dòng)化碼頭，將切實(shí)成為東南國(guó)際航運(yùn)中心的核心