自动导引车（automatic guided vehicle，AGV），是一种集声、光、电、计算机为一体的简易移动机器人。在结构上有类似于有人驾驶车，只不过它的行驶是在车载微电脑的控制下完成的。主要应用于柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）、自动化立体仓库以及其他一些行业作为搬运设备。最早期的AGV是铺轨式的，车体在预设的铁轨上行驶，利用通信设备控制它的行驶或停止，并没有涉及到传感器。随着传感器技术的飞速发展，各种各样的传感器被使用在AGV中，AGV利用传感器感知周围事物的信息，控制机车的运动，从而实现真正意义上的自动导引。

1 AGV系统组成

现今的AGV基本上由导向模块、行走模块、导向传感器、微处理器、通讯装置、移载装置和蓄电池等构成，如图1所示。其中，微处理器是车的控制核心部分，它把车的各个部分有机地联系在一起，它不仅控制整个车的运行，而且，还通过通讯系统接收地面管理站传来的各种指令，并不断地把车的所处位置、运行状况等信息返回给地面站。通讯装置根据车的通讯方式不同可以是：红外通讯、感应通讯、无线电通讯等。移载方式有手动和自动2种，根据需要可以配置货叉、升降平台、辊子输送机、外伸形货叉、机械手等设备。一定数量的AGV在地面设施的支持下，按工序完成一定的物料输送任务就构成AGV系统。

导向传感器是现代AGV的基础。在没有人为干涉的情况下，AGV的所有动作均来自于导向传感器对外界事物的感知。由此可知，传感器技术是AGV技术中非常重要的一环。本文将从AGV中的导向传感器的角度对AGV的制导方式作较详尽的说明和比较，介绍了目前国内外AGV制导技术的开发、研制和使用情况。并且，根据多项工程实践的应用标准，对各种传感器在AGV中的独立的运用价值进行了综合比较。最后，本文还对传感器在AGV中的应用前景和发展方向提出了看法。

2 各种导向传感器在AGV中的应用

如果说AGV是一种简易的移动机器人的话，导向传感器就是机器人的五官，AGV通过导向传感器来感受周围的事物，以AGV小车沿正确路径行走，并保持一定精度要求。基于不同的导向传感器，AGV的制导方式可以分为许多种，如，电磁制导方式、光学制导方式、激光制导方式、磁力制导方式和超声波制导方式等。这些制导方式按有无导引路线分为3种：固定路线方式、半固定路线方式和自由路线方式。虽然每种制导方式都能单独达到导引AGV的作用，但是，都有各自的优缺点。

2．1 电磁制导方式——电磁感应传感器

这是在AGV的导引方式中应用最多的也是最成熟的一种方式，属于固定路线方式。方法是在AGV要行走的路线下埋设专门的电缆线，通以低频正弦波电流，从而在电缆周围产生磁场。AGV上的电磁感应传感器检测到磁场强度，并送出AGV沿线路行走时感应出来的磁场强度差动信号。车上根据该信号进行纠偏控制。

道路的分支与合流的识别有以下几种方法：通过切换传感器工作频率以拾取表征分支与合流的信息（一般并行埋设多条通有不同频率电流的电缆）；由控制台将信号源切换到不同的电缆线上以导引行车路线；电磁锁相制导方法为编码脉冲法。前2种方法由于需要切换导线中的电流频率或传感器组，以便对应不同的频率，则需要相应的机构和电气方面的附属装置，将增加系统的复杂性和故障率同时，也加大了系统的成本投入。在这里，只介绍后2种方法。

电磁锁相制导方法，也称为分时复频选择法。也就是说，在一条路径上即使埋设多根电缆，AGV某一时刻也只能接收到一种频率信号。如果是本机所要接收的频率信号，则进行采样；否则，继续检测。但需要指出的是，频率数的确定有限制，因为频率数越多，巡回检测周期T就越长，容易导致AGV失控。分时复频选择法使制导系统的电路设计大大简化，因而，提高了系统的易实现性及其可靠性。

编码脉冲法只用单一频率的信号源，只有一条导引电缆用来标志行车道路，道路交叉点信息由编码脉冲装置产生。当小车沿通电导线行走时，差动式电磁传感器系统仅用于检测小车是否偏离了导线路径，在道路交叉点附近设置一个编码脉冲发生装置，当小车进入信号有效区域后，接收装置就可以收到该编码信息。这样处理的结果是简化了系统的复杂度，提高了可靠性，降低了系统成本。

该方法可靠性高、经济实用，是目前最为成熟且应用最广的导引方式。国内上海金山石化总厂涤纶车间、秦山核电站核废料仓库等处使用的AGV，以及中国科学院沈阳自动化研究所为沈阳金杯汽车制造厂研制的AGV，上海交通大学机械工程系与合肥叉车总厂合作开发的AGV等都采用了这种电磁感应导向技术。国外德国的汉堡码头的集装箱搬运车完全是采用此类方法，机车的运行精度可达±3mm。主要问题是：实际上，AGV路径改变很困难，而且，埋线对地面要求较高，否则，引导困难。同时，铺设大量的电缆，成本很高。

2．2 视频制导方式——CCD传感器

视频制导方式，主要是利用CCD传感器获取AGV周围的图像，通过实时的机器视觉处理来确定AGV的运动方式。这种制导方式又有固定路线和自由路线2种。

固定路线方式一般情况下都将CCD安放到AGV的头部，视野为AGV前方的地面，并在地面上画下供AGV识别的导引线。这样，AGV就可以实时的根据图像识别的导引线，并沿着它的路线前进。有时候，根据需求也可以把CCD换成是能获取特殊光线的CCD（如红外CCD），以满足不同环境的需要。这种方式精度很高，而且，CCD价格低廉，对场地的要求不高，实现起来不需要很高的成本，非常适合较特殊的场合。

固定路线方式在地面上画的引导线必须是标准的形式，否则，AGV可能会不认。如果AGV想改道，必须在地面上重新画导引线，也不是很方便。现在世界各国都在研究利用多CCD传感器，从不同的角度获取图像，利用机器视觉整合出立体的影像。就像人类的双眼一样，不仅可以识别出周围的事物，还可以测出事物的距离。

随着CCD传感器和微处理器的飞速发展，视频制导方式以低廉的价格；较高的精度和灵活性，受到各国AGV厂商的青睐。如，我国吉林大学研发的AGV就广受好评；一汽的红旗自动驾驶轿车（单CCD控制）平均时速达130km；日本三菱公司的AGV（双CCD控制）停止精度达±10mm。

2．3 激光制导方式——激光传感器

激光制导方式是在AGV行走空间的特定位置处，布置一批激光光束的反射镜模型计算AGV的位置，实现引导，属于半固定路线方式。AGV行驶过程中，车上的激光扫描

头不断地扫描周围环境，当扫描到行驶路径周围预先垂直设定好的反射板时，其反射光线就会被AGV自身的激光传感器“看到”。只要扫描到3个或3个以上的反射板，即可根据它们的坐标值，以及各块反光板相对于车体纵向轴的方位角，由定位计算机算出AGV当前在全局坐标系中的X，Y坐标和当前行驶方向与该坐标系X轴的夹角，实现准确定位和定向。

激光扫描器一般安装在ACV的较高位置，使各定位标志与激光扫描器较好地呼应，并通过系统的串行口与AGV的控制板联接。定位标志是由高反光材料制成，固定在沿途的墙壁或支柱上。激光扫描器利用脉冲激光器发出激光并通过一个内部反射镜以一定的转速旋转，对周围进行扫描，测出每个定位标志的距离和角度，计算出AGV的X，Y坐标，从而引导AGV按照预先设定的路线运行。激光扫描器内部装设有微处理器，对于新的作业环境和引导平面图具有学习功能，可以利用学习软件找出相应的定位标志，并将其坐标位置存储起来。

激光引导方式虽开发比较早，但过去由于激光器件昂贵，没有得到广泛应用。近年来，随着科学技术的发展，瑞典AGV电子有限公司的激光引导装置采用了GaAs脉冲激光器、旋转扫描速率为10r／s，即AGV的激光引导装置每隔1s测量并计算一次自身的坐标位置。定位标志的可见距离通常是大于30m，并保持在运行中每次至少要检测出3个标志，以保证定位精度。美国NDC自动化有限公司是生产AGV激光引导系统的厂家，其激光扫描器的旋转速率为20r／s，即每隔50ms测量和计算一次AGV的绝对位置坐标，定位精度可达±1mm。

2．4 惯性制导方式——CPS＋IMU

这是一种自由路线的制导方式。与航天、航海中使用的惯性导航系统的工作原理一样，AGV惯性导向系统通过IMU（惯性测量单元）和GPS（全球定位系统）相辅相成，从而达到制导的目的。理论上，利用GPS可以得到AGV的精确的绝对位置，完全可以实现对户外AGV的控制。但是，在高楼林立的都市，由于建筑物的遮挡，CPS经常会出现信号不好，甚至丢星的现象。这时就需要IMU继续为AGV制导；另一方面，IMU由多组陀螺和加速度计构成，分别可以测量车体的转动角加速度和平移加速度，据此，就可计算出小车距参考点的距离和姿态。这种方法需对各加速度进行双积分，而由于成本的关系在AGV上不可能采用高精度的加速度仪和陀螺仪，所以，这种方法的定位误差亦将随小车运行距离的增加而变得很大，必须隔一定距离，就用绝对定位的方法（GPS）更新其位姿信息。

惯性制导方式灵活性很强，不需要事先固定路线，精度可达±1mm。但是，该方案对IMU的精度要求很高，而且，价格不菲。在国内只是用在军事上，在国外的一些大型码头的吊车和高级轿车上也有一定的应用。

2．5 超声波制导方式——超声波传感器

超声测量导引该方法类似于激光测量方法，不同之处在于不需要设置专门的反射镜面，而是利用一般的墙面或类似物体就能进行引导，因而，在特定环境下提供了更大的柔性和低成本的方案，属于自由路线方式。但由于反射面大，在制造车间环境下应用常常有困难。此种方法较多用于集装箱码头，利用规律摆放的集装箱反射超声波，可以很好地达到自动导引的目的，而且，价格十分低廉。车体的定位精度为±100mm。

2．6 磁铁＋陀螺制导方式——磁性传感器＋陀螺这种制导方式属固定路线方式，是瑞典的AGV电子有限公司研制开发的，其工作原理是利用特制的磁性位置传感器检测安装在地面上的小磁铁，再利用陀螺仪技术连续控制AGV的运行方向。这种引导方式是在沿引导路径的地面上每隔5～10m安装一对小磁铁。磁性传感器是利用霍尔元件检测磁场的基于微处理器的传感器，当AGV通过路面上的小磁铁时，传感器给出AGV的X和Y坐标。陀螺传感器是一种固态六轴角速率传感器，其输出电压与其敏感轴上的转速成正比，由此确定AGV的运行方向。如果采用高质量元件，磁铁+陀螺引导系统具有很高的精度，可达到±3mm。采用标准元件可大幅度降低成本，其成本比电磁感应引导式低很多。这种引导方式适用于不能埋设引导电缆的场合。

2．7 地磁场制导方式一地坐标传感器

这种制导方式的核心是测角，它通过对地磁场的测量可以确定传感器相对于起始点的2个转角（横摆a，高低β），该数据传给与传感器集成在一起的ADC转换成数字量，再送人单片机，由单片机对数据进行预处理后送出。因此，只要事先确定好AGV需要到达的位置，利用坐标传感器导引的方法可以实现AGV的无轨自由路线运行。当AGV运行距离较远时（如数百米），受坐标传感器自身精度的影响，AGV与目标物料交换站之间存在误差（小于100mm），故需第二次精定位，精定位可选择方案较多，考虑检测距离、精度、抗干扰等影响，可利用霍尔传感器组成精定位检测系统，实现AGV原距离运行的精定位。该方法的缺点是容易受环境的干扰、测量距离受限，系统复杂。

2．8 位姿积算——各种车轮传感器

这种技术源自航海中的推测航行法，属自由路线方式。AGV导向系统通过由安装于车轮上的光电编码器组成的差动计程仪，或者是通过车轮上的磁传感器来感知地面上安装的小磁铁，测量出每一微小时间段内小车转过的角度以及沿某一方向行驶过的距离，由此推算出不同时刻小车与某一已知点之间的位置关系，进而就可以根据小车当前的物料搬运任务决定其下一步运行的方向和速度。这种方法不需在地面设置任何具体形式的导引线路，但是，它有一个固有的缺点，那就是控制系统估算的小车位姿信息量将随小车运行距离的增加而不断增大，必须每隔一定距离就用绝对定位（如GPS）的方法更新其位姿信息。由于选用的传感器种类不同，这种方式的定位精度从±20mm到±200mm不等。

3 基于各种传感器的AGV制导方式的评价指标

根据上述各种传感器的要求，本文从工程应用的角度，提出一些性能指标来评价各种制导方式。

（1）运行范围

运行范围是指在保证系统的效率和性能不下降的情况下，小车的最大运行距离范围。

（2）运行精度

由于运行线路设置时存在的误差，以及不同导向技术中由于传感器等因素而引起的固有误差，小车实际运行时不可能精确地沿预定路线行驶，所以，小车在站点处必须具有较高的运行和定位精度。

（3）灵活性

制导方式的灵活性就是指AGV运行线路变更的难易程度。

（4）可靠性

导向系统的可靠性主要包括系统发生失灵的可能性、导向机构本身影响或阻止系统发挥正常功能的可能性等。

（5）可控制性

AGV的可控制性是指在一定的导引方式下，小车启动停止控制、弯道运行、岔道选择等实现的难易程度。另外，还应考虑特定导引方式下小车与中央控制系统之间的数据通讯的实现方法和性能水平。

（6）系统成本

AGV导向系统包括车载装置和地面装置两部分，而各个部分的成本都主要是由相应装置的复杂性及其维护要求决定的。

根据这些性能指标，本文将上述的各种传感器在AGV制导中的价值作了详细的比较，如表1所示。

表1

4 结束语

随着传感器技术的不断发展，各种各样的新型传感器在AGV制导中得以应用，而且，传感器的各种性能也在不断的提高；微处理器处理速度的飞速提增以及数据融合技术的成熟也使得同一AGV系统运用多种传感器成为可能。就好像“五官”健全的人总比只有“单一感官”的人行动方便一样，如今，新型的AGV上都安装了多种导向传感器。

它们各自实现特定的功能，相互协同合作，使AGV可以自由灵活的完成多种任务。如德国奔驰公司研制的自动驾驶的概念型轿车就使用多种传感器。它利用地理信息系统连接城市交通系统确定到达目的地的最佳路径，利用GPS＋IMU进行主制导，双CCD辅助制导，雷达探测前方的障碍物，使得该轿车可以自动、安全、快捷的行使到目的地。