自动导航运载车(AGV)系统研究

摘要：自动导航运载车（AGV）系统由全锂电池驱动的自动导航运载车，集装箱转运平台，自动充电装置及配套的无线电台，供配电、通讯和控制系统组成，采用全电动自动导航运载车替代传统柴油发动机驱动的集装箱拖车，可替代港内集装箱拖车进行水平运输，实现集装箱码头水平运输自动导航、无人驾驶、全电动、零直接二氧化碳排放。

按年设计吞吐量70万标箱测算，每年可节约能源消耗约350万吨标准煤，减少二氧化碳气体排放约1 150吨。

1.技术概况
AGV（Automated Guided Vehicle）即自动导引运输车，“广义”上是指基于各种定位导航技术，不需要人驾驶的自动运输车辆。

厦门远海集装箱码头自动导航运载车（AGV）系统是厦门远海自动化码头建设配套项目。

该项目采用全电动自动导航运载车替代传统柴油发动机驱动的集装箱拖车，是联合了国内主要港机制造商进行自主研发，具有自主知识产权的国际先进技术，能有效减少温室气体及有害物质排放，对自动化集装箱码头建设具有重要意义。

项目在厦门远海自动化码头原有的传统14# 集装箱泊位上进行道路改造，配置18 台全锂电池驱动的自动导航运载车，8 台集装箱转运平台，18 台自动充电装置及配套的无线电台，供配电、通讯和控制系统，形成自动导航运载车替代港内集装箱拖车，实现港内集装箱水平运输。

2.技术原理和内容
2.11
技术原理
自动导航运载车（AGV）系统可实现智能化调度、自动化控制，无人操作，提高集装箱传送效率。

AGV 系统控制包括车辆管理系统（VMS）、导航系统（NS）、小车控制系统（VCS）三个层次。

VMS 接收码头管理系统（TOS）发送的AGV 起点和终点位置，依据AGV 调度策略指定AGV 并生成AGV 最优路径；导航系统实现路径跟踪，依照路径指令计算出当前的电机转速和掌舵角度并且传输给VCS，而VCS 能够控制小车上的电动机和液压转向系统从而响应收到的指令。

通过这样的方式，AGV 能够沿着轨迹独立在岸桥和自动堆垛之间运行。

2.22
实施方案
AGV 导航自动化系统（Navigation System），作为连接AGV 电控驱动系统以及车队管理系统的桥梁，其主要任务是：
（1）实时计算AGV 当前在堆场中的绝对位置并上传给VMS，以实现AGV 车队的调度与交通控制。

（2）根据VMS 下发的行车指令，向VS 系统传递AGV 车速、车轮角度等指令，控制AGV 沿着一定路径运行到指定位置，参与集装箱的装卸任务。

（3）根据VMS 下发的一些操作指令（开关卷帘门、充电启停、电池回路上电断电、车辆故障复位、重启导航控制器），传递给VS 系统相关设备的动作指令，控制其完成某些组合动作。

（4）使用外部传感器（超声波传感器，2D 激光雷达），对AGV 周围环境进行感知，保障AGV 单机的行车安全，防止与其他AGV 或者场地中的障碍物发生碰撞。

导航系统主要分为定位系统、运动控制系统、无线通信系统、SICK 激光防撞系统等四个子系统，每一个系统都相互关联。

AGV-NS 系统框架见图1。

图 1 AGV-NS 系统框架图
定位系统：天线－磁钉（transponder）定位子系统，其首先需要在AGV 的运行场地中布置磁钉，每一个磁钉都记录着其在堆场坐标系中的绝对坐标。

在AGV 底盘的前端和后端，对称安装一对检测天线。

天线在覆盖磁钉时可以测量到磁钉的位置，同时读出磁钉在堆场中的绝对位置。

这样，当AGV 上两个天线能同时检测到磁钉时，就可以直接计算出AGV 的位置（见图2）。

在这一工况下，导航定位的精度完全由天线的检测精度决定，导航系统可获得很高的精度。

图 2 定位系统
在不满足上述工况时，仅通过天线－磁钉系统不能获得AGV 的位置，需要进行位置估算才能完成导航定位。

位置估算基于AGV 的运动学模型，并综合更多的传感器信息，包括惯性测量传感器（陀螺仪及加速度计）、车轮转速编码器、转向角编码器，进行信息融合后计算出AGV 的位置信息（见图3）。

在这一工况下，估算的误差主要由AGV 模型与实际车辆的误差决定，且估算的误差可能随着时间增长而不断增加。

在AGV 实际的运行中，导航系统将在上述两种工况中交替运行，AGV 位置的估算误差也会不断波动，通常导航定位的总体精度由位置估算算法决定。

图 3 AGV 运动学模型
运动控制系统：AGV 运动控制系统根据AGV当前的位置以及AGV 根据车辆管理系统下发指令而生成的轨迹信息，在满足最大速度限制以及车辆运动学模型的约束下，控制前后电机速度和前后桥车轮角度，来实现AGV 从 A 点到 B 点的运动。

导航系统收到车辆管理系统下发的AGV 目标点信息后，会根据到目标点的里程信息，来规划AGV 运行中的速度曲线，并结合当前的载重，给定不同的加、减速度来驱动AGV 行驶。

当AGV 以一定速度对规划的轨迹进行跟踪时，会得到跟踪偏差，导航系统使用PID 算法，计算出车轮角度，使AGV 朝着期望的位置进行纠偏。

在角度计算时还要考虑到AGV 由前桥驱动桥构成，需
要根据前后桥的约束条件，以及单个驱动桥的阿克曼模型约束条件，防止AGV 出现车轮打滑、车轮干涉等问题。

运动控制系统模型见图4。

图 4 运动控制系统
无线通信系统：无线通信系统负责接收车队管理系统的AGV 指令信息，并反馈AGV 的位置信息和运动信息给车队管理系统，同时无线通信系统还反馈AGV 的故障和各个子系统的实时数据到RCMS系统，用于对历史故障和历史数据进保存。

无线通信系统是通过安装在单机上的无线设备和水平运输区域中的无线基站相互通讯来实现的。

安装在AGV上的无线设备以及无线基站都有冗余，采用158 和160 双网段，可以保证AGV 在任何角度和位置，都至少有一个天线与基站相连接，保证了基站信号的覆盖和无线通信的可靠性。

SICK 避障系统：激光扫描器扫描某一区域，并根据区域内各个点与扫描仪的相对位置，推算出障碍物与AGV 之间的位置关系。

导航系统根据AGV的运行状态，分为直行激光保护、蟹行激光保护、转弯激光保护三种类型。

其基本原理是基于多边形区域的障碍物检测，多边形区域的选择以AGV 完成相关运行动作时AGV 车身外轮廓形成的包络线为原型，考虑到AGV 运行中存在的位置误差以及激光器的探测误差，对轮廓包络线进行调整后得到。

激光器可以提前检测
到AGV 运行路径上出现的障碍物，可根据车速、载重等信息，计算可控停车和紧急停车的临界距离。

车辆管理系统（VMS）负责对接收到的调度任务信息，如装箱、卸箱、堆区与堆区间箱的转接等任务进行分析、整理和调度，并将任务执行状态等信息反馈给调度系统。

车辆管理系统见图5。

图 5 车辆管理系统
2.3
车队作业范围管理
运行区域管理：
（1）运行状态信息管理；
（2）能量管理（剩余能量、总容量、可行驶时间或路程、电池信息、充电次数等）；
（3）作业任务信息管理；
（4）车辆性能数据统计。

交通控制：
（1）针对某个作业任务，当有多条路径可供选择时，应当遵循一定的原则，找到一条最佳作业路径；
（2）实时检测车辆之间是否会发生路径冲突；
（3）防止车辆之间发生碰撞；
（4）根据车辆作业的优先级，控制车辆的通行次序；
（5）到达预通知。

任务管理系统：
（1）获取调度下发的任务并反馈执行状态；
（2）根据任务信息指挥AGV 进行收箱、送箱作业；
（3）管理任务在整个作业过程中状态变化的反馈和更新；
（4）统计分析一段时间内装卸任务的时间和效率等。

用户操作管理：
（1）人工控制AGV 运动；
（2）移动AGV 到堆场指定位置；
（3）暂停、恢复AGV 运动；
（4）岸桥下微调AGV 位置；
（5）重发指令；
（6）人工充电；
（7）人工控制伴侣顶升、避让动作；
（8）根据作业情况修改系统配置。

安全控制：
（1）AGV 进出堆场充电车道检测滑触线状态；
（2）AGV 进出堆场伴侣车道检测伴侣状态与AGV。

带箱情况：
AGV 在岸桥下微调范围不能超过2 m。

2.4
异常处理
AGV 执行任务过程中发生各种无法继续自动运行或影响任务执行的情况，会弹出异常通知操作人员。

操作人员根据异常信息及对应的处理方法解决问题，任务恢复自动执行。

3.技术创新点
AGV 自20 世纪90 年代开始逐步投入商用，第一代AGV 采用了柴油机- 液压驱动系统。

由于当时技术水平限制存在“先天不足”，不仅行驶性能有限，并且存在着维护困难、能耗较高、噪声污染和废气排放等严重的问题。

随着21 世纪动力能源技术的发展与进步，AGV 已经发展出了多个换代产品，驱动形式已基本改用电池+ 电机驱动方式。

特别是在能源供应系统部分，历经了多种形式的变迁，从大中型柴油机组向蓄电池组等绿色能源逐步过渡。

厦门远海自动化AGV 通过对实际运行工况进行必要的分析和梳理，总结AGV 运行工况的特点，针对其特点来优化动力能源系统的配置，制定切实有效的节能减排方案，促使能源利用效率提高，避免冗余能源的浪费，最终达到节能减排的目的。

为了达到最优的节能环保效果，厦门远海选择纯锂电池作为能源系统，不仅使得AGV 能源系统简化，并且在动力输出和能量回收时具有更好的控制灵活度。

此外还完全杜绝了废气排放和噪声污染的问题。

图 6 AGV 能源简化系统
4.技术应用情况
AGV 技术发展已经成熟，集装箱自动导引车AGV 在自动化集装箱码头的保有量较大，潜在增量大。

目前厦门远海有18 台AGV，投入使用6 年。

传统码头需要对设备以及基建进行改造，新造的自动化码头在设计规划时可考虑用AGV 或者IGV作为水平运输工具。

国内运用该技术的有厦门远海码头、青岛港全自动化集装箱码头、上海洋山深水港四期自动化码头以及正在建设的南沙四期自动化码头、广西北部湾钦州港。

其中，厦门远海全自动化集装箱码头的泊位长度为446 m，码头纵深为345 m，使用三台自动化双小车岸桥、16 台自动化轨道吊、18 台AGV、8 台AGV 伴侣。

经使用后测算显示，AGV 采用全电动力系统，比内燃机驱动的设备更节能
降耗、降低设备成本、提高经济性，消除了废气排放和噪声污染，实现绿色零排放，达到了环保的效果。

5.技术效益分析
5.1
节能低碳效益
通过电力驱动自动导航车AGV 技术改造项目后，按现自动化码头作业的吞吐量41.2 万自然箱，18 台AGV 推算出可节约燃油量为350.4 吨标准煤，每年减少直接二氧化碳排放1 150 吨。

详见表 1 所示的AGV 耗能测算表- 箱量计算方式。

表 1 AGV 耗能测算表- 箱量计算方式
5.2
经济效益
根据厦门远海集装箱自动化码头14# 泊位的规划布局、集装箱吞吐量预测、到港船型分析、各港区功能分工、海沧港区功能定位，14# 泊位设计年吞吐量为62~88 万标箱/ 年，相当于在原设计能力的基础上增加20%~70% 的吞吐能力。

全自动化集装箱码头的特点是初期投资较大，是传统码头的两倍，但年营运成本较小，是传统码头年运营成本的63%，如表 2 所示。

表2 两种情况对比结果
5.3
社会效益
本项目符合国家中长期科学和技术发展规划纲要中“制造业”和“信息产业及现代服务业”的重点技术攻关方向。

本项目也符合交通运输部的“十二五”水运节能重点技术攻关方向，将成为“十二五”期间集装箱码头全电力装卸技术的范本。

由于我国集装箱码头堆场通常都为平行岸线布置，厦门远海自动化集装箱码头将为其他码头的技术升级提供参考。

全自动化集装箱码头综合效益经测算约为传统码头的 1.3~1.7 倍，是未来先进全自动化集装箱码头装卸系统的更新换代产品，具有港口行业信息化产业升级的重大意义。

厦门市是海峡西岸重要的中心城市，本项目位于厦门海沧港区，是厦门建设东南国际航运中心的基地。

厦门远海建设全自动化码头，将切实成为东南国际航运中心的核心力量，为东南国际航运中心的建设注入新鲜血液。

海峡西岸经济区的建设发展需要东南国际航运中心的支撑，自动化码头的建设对东南国
际航运中心及海峡西岸经济区的建设有重大的经济意义和政治意义，成为新的亮点。

它将提升厦门港的港口竞争力，有利于航运产业集聚，促进经济发展。

我国是港口大型机械装备制造大国，连续十多年占有世界75% 以上市场份额，但在自动化设备及系统方面，特别是核心技术方面还缺乏竞争力。

本项目的实施，将充分发挥我国港口机械装备制造业优势，打造自动化设备和系统的世界品牌，提升我国集装箱码头和装备制造业的世界竞争力。