摘要：在工业自动化与智能化飞速发展的背景下，AGV作为智能物流的关键载体，在提升生产效率、削减人力成本以及增强生产安全性等方面发挥着日益重要的作用。尤其是在不锈钢工厂等涉及重载、远距离运输且需适应雨雪天气等复杂室外环境的场景中，开展室外重载AGV的应用研究意义重大。
摘要：在工业自动化与智能化飞速发展的背景下，AGV作为智能物流的关键载体，在提升生产效率、削减人力成本以及增强生产安全性等方面发挥着日益重要的作用。尤其是在不锈钢工厂等涉及重载、远距离运输且需适应雨雪天气等复杂室外环境的场景中，开展室外重载AGV的应用研究意义重大。基于GPS导航定位技术构建的AGV搬运系统主要应用于大场景全天候室外作业需求，通过融合二维激光雷达、三维激光雷达与机器视觉技术等形成综合环境感知系统，生成高精度数字地图。该技术方案使AGV拥有无人驾驶汽车领域的核心技术和性能，有效突破传统AGV室外导航精度不足、地面坡度适应性有限、恶劣天气环境应对能力弱等技术瓶颈。
关键词：室外重载；GPS导航；智能搬运；AGV调度系统
作者：宗明超 袁梦 赵兴利
临沂临工智能信息科技有限公司
在当今工业自动化领域，针对室内AGV的研究投入相对较多，磁条导航、二维码导航、激光SLAM等多种导航方式的AGV已经广泛应用。然而在复杂苛刻的室外工业场景中，面对高低不平的路面、雨雪天气、高精度对接自动化设备等挑战，上述导航方式的AGV却难以满足要求。
室外GPS导航AGV凭借其独特优势，在众多场景中得到了广泛应用。特别是在如不锈钢工厂这类需要长距离、重载物料搬运的场景，以及港口、矿山等大型户外作业环境中，其重要性愈发凸显。
从应用层面来看，在大型物流园区，室外GPS导航AGV能够依据预设路线，在空旷的室外场地进行货物的远距离转运，有效提高了物流运输效率。例如，在港口集装箱搬运作业中，AGV可利用GPS导航，准确地将集装箱从货船搬运至指定存储区域，降低了人工成本并缩短了作业时间。而且，随着技术的不断发展，AGV的运载能力逐步提升，像国内首台300吨全向室外重载无人驾驶AGV“创誉号”，其具备强大的承载能力，可应对大型、重型货物的搬运需求，为工业生产中的重载运输环节提供了有力支持。
在技术融合方面，室外GPS导航AGV不再单纯依赖GPS技术，而是融合了惯性导航、激光SLAM、机器视觉等技术，实现根据室内和室外运行环境自由切换导航。例如，室外高速运输，全程GPS导航，室内需要和桁架机器人自动上下料对接，则切换到激光导航，实现精准停车定位。通过融合惯性导航，即使在GPS信号暂时丢失的情况下，AGV仍能依靠惯性测量单元，保持对自身位置和姿态的准确判断，确保行驶的连续性和稳定性。激光SLAM技术则能帮助AGV实时构建周围环境地图，进一步提升其在复杂环境中的定位精度和路径规划能力。视觉感知技术的加入，使AGV能够像人类一样“看到”周围的物体，识别障碍物、交通标识等，增强了其对复杂环境的适应能力。
从这些丰富的应用案例不难看出，室外GPS导航AGV在实际工业场景中已然站稳脚跟，为各类生产运输活动带来了极大便利。本文以国内某不锈钢工厂的自动化搬运项目为对象，详细论述室外GPS导航AGV在室外场景中的应用设计。
一
室外重载AGV在不锈钢厂的运行流程
该项目中，室外重载AGV采用双线路环线运行模式。在这个过程中，室内桁架机械手负责自动上料，室外桁架机械手承担自动下料任务，在整套调度管理系统的统一调度下，实现AGV自主到充电站充电，通过规划室外交通管制节点，能够实现与室外社会车辆的实时交通管制，提升了工厂的交通安全保障水平。
室外重载AGV系统整体架构，如图1所示。
图1 室外重载AGV系统整体架构图
AGV室内上线等待工位通过AGV调度系统与MES系统接口通讯，实时接收上游系统下发的搬运订单，AGV接收订单后开始移动，与室内桁架机械手实时交互等待机械手搬运盘圆到AGV挂架上，并获取盘圆物料信息以及目标终点卸货位置。
AGV接收盘圆后，开始启动离开上线点，关闭车体雨棚，因为室外雨雪天气，专门设计了防雨机构，室外搬运距离在3公里，中途有道闸和红绿灯实时管控道路交通情况。
AGV到达室外卸料位置后，通过AGV调度系统与室内桁架机械手实时交互，将盘圆物料全部搬运到地面挂架上，并将盘圆物料信息显示到对应LED显示屏上进行滚动播放以提示叉车工进行终点物料的转移。
AGV在卸载完物料后判断是否到达阈值充电条件以及是不是当前车队中电量最低的车辆，决定是去充电站充电还是返程进入下一个搬运循环。
整个搬运流程全程无人参与，智能化水平很高。室外重载AGV现场运行，如图2所示。
图2 室外重载AGV现场运行
二
室外重载AGV调度系统设计
针对该项目配置开发了整套的智能调度管理系统，其包括车辆管理、充电管理、交通管理、订单管理、库位管理等核心模块；同时，针对运行状态的采集存储，开发了状态采集、统计报表、车辆报表等报表模块，可以针对大数据的需求进行上传至上层系统，为管理者提供决策提供参考依据。
1.车辆管理
车辆管理是整个调度系统管理中的核心部分，用于车辆的上线和下线操作、车辆状态的采集、车辆指令的手动下发。车辆管理页面，如图3所示。
图3 车辆管理页面
车辆管理模块需与AGV车载控制系统、定位系统、传感器等硬件设备建立通信接口，实现数据实时交互。同时，通过标准化接口协议（如TCP/IP、OPC UA）与上层管理系统集成，确保任务指令准确下达，状态信息可以及时反馈。
建立数据库，用于存储车辆信息（编号、型号、参数）、任务记录、运行数据、地图数据等。采用关系型数据库（如 SQLSERVER），依据数据特点与访问需求选择，以确保数据高效存储、查询与分析。
设计直观友好的人机交互界面，供调度人员操作与监控。界面展示车辆位置、状态等信息，支持任务手动分配、车辆远程控制、参数调整等功能，提供便捷操作体验。
2.设备管理
在现代复杂的调度系统环境中，与第三方设备对接已成为常态。这些第三方设备能为调度系统增添功能、提升效率，但也带来管理上的挑战。通过有效的设备管理展示，可清晰呈现第三方对接设备的状态、运行情况及交互信息，助力调度系统高效稳定运行。
第三方设备往往采用不同通信协议，如 Modbus、OPC UA、MQTT等。协议适配模块负责解析各设备协议，将设备数据转化为调度系统可识别格式。例如，对于采用Modbus协议的智能电表，协议适配模块通过Modbus RTU或TCP协议读取电表数据，并转换为标准数据格式。
记录第三方设备与调度系统之间数据交互情况，包括数据发送与接收时间、数据内容摘要等，方便排查数据传输问题。
该项目设备管理包括室外道闸、红绿灯、自动上料PT机构、自动下料桁架机械手、LED显示屏、MCS上层管理系统。通过对第三方对接设备的管理展示，使整个项目能够有条不紊地相互配合；同时，通过对第三方设备的监控和管理，能够更好地识别和诊断故障，帮助管理人员及时发现问题、做出决策，保障第三方对接设备与调度系统协同稳定工作，为调度系统高效运行提供有力支持。
3.充电管理
充电管理模块在调度系统中起着至关重要的作用，通过实现充电条件判断、充电任务调度、充电过程监控以及充电资源管理等功能，确保AGV等设备的电量供应稳定，提高设备的运行效率和可靠性。
该项目配置了一台自动充电机与一台手动充电机，这两台充电机均采用插枪式高压快充方式。插针式智能快充充电站如图4所示。其充电管理的设计思路具体如下：
图4 插针式智能快充充电站
当桁架完成卸料动作后，系统会在充电点对AGV进行电量判断。若当前AGV的电量为整个环线车辆中的最低电量，或者其电量已经低于预先设定的充电下限报警阈值，便会启动充电准备工作。
当充电等待点已有需要充电的AGV时，需进一步判断充电点的情况。若充电机处已有AGV正在充电，那么后来的AGV将结束此次充电尝试，启动并离开充电点，返回桁架接料点；若充电点无AGV充电，该AGV则直接启动前往充电点进行充电。
而在充电点处的AGV也会进行自我判断，当它检测到自身充电量已达到充电上限阈值时，便会启动并空载返回上线点。
通过这样的设计，整个环线上线的车辆能够实现循环充电控制。这一控制模式可以确保在车辆无需下线充电的情况下，始终优先为电量最低的AGV充电。按照单台AGV一次任务电量损耗2%进行预算，单台充电机完全能够满足整线所有车辆的充电需求。具体的充电逻辑设计，如图5所示。
图5 充电逻辑设计流程图
4.交通管理
调度系统中的交通管理模块，是指在自动化物料搬运、生产流程等场景中，对各类移动设备（如自动导引车AGV、无人叉车等）的运行进行统筹规划与协调控制，以确保设备在有限空间内安全、高效移动的功能组件。它类似于城市交通管理系统，旨在维持移动设备的通行秩序，避免碰撞与拥堵，提升整体调度效率。
该项目存在两种交通管理，一是内部车辆AGV交通管理，另外是与外部车辆的交通管控。其中AGV自身交通管理逻辑设计，如图6所示。
图6 AGV交通管理逻辑设计
AGV在自动搬运任务途中，存在与社会车辆交互情况。针对这一状况，现场安装了道闸和红绿灯进行管控，管制逻辑设计如下：
AGV行驶到管制路口附近时，判断道闸打开状态，同时监控区域内是否存在社会车辆通行信号。如果存在社会车辆通行信号，AGV将停车等待；如果社会车辆已驶离该管制区域，AGV调度管理系统控制对向道闸落杆，红绿灯红灯禁行，同时将AGV通行信息写入交互PLC，AGV启动通行。AGV驶离区域后，对向通道道闸打开，红绿灯变为绿灯通行。
整个交互逻辑自动安全，无需人员参与，智能化水平提升。室外交通道闸管制单元，如图7所示。
图7 室外交通道闸管制单元
5.订单管理
调度系统中的订单管理模块在现代生产和物流领域中起着至关重要的作用。通过合理设计和实现订单管理模块的功能、架构和技术，可以实现订单的高效处理、资源的合理分配和任务的准确执行，从而提高整个调度系统的运行效率和服务质量。
该项目在生产线取料、室外卸料环节，都需要与不锈钢工厂的桁架信号交互，实现设备自动对接，配合上下料，实现生产过程的自动化和智能化。
通过与上层MCS进行通信和配合，实现调度管理系统自动接收上层系统的订单计划，调度管理系统根据空闲AGV的状态实时分派任务，并且根据订单信息，AGV可以决定搬运物料的盘圆个数。AGV订单管理页面如图8所示。
图8 AGV订单管理页面
室外AGV将物料搬运至室外桁架处，桁架上RFID读卡器，实时读取当前盘圆ID信息，将ID号查询当前任务中携带的库区预放置位置，查询信息在LED大屏显示，指导人工叉车操作工去转运盘圆到预放置库区进行分类放置。LED库位信息显示，如图9所示。
图9 LED库位信息显示
室外重载AGV调度管理系统与MCS通信，与库存管理系统进行连接，实现物料由起点到终点的全流程信息跟踪，便于信息的追踪溯源及时高效地对库存信息实时更新和查询。AGV可以根据库存情况进行自动补货或取货，降低库存成本，提高库存周转率。
6.监控管理
调度系统中的监控管理模块是实现系统高效、稳定运行的重要保障。通过实时监控设备状态、任务执行情况和环境参数，进行数据存储和分析，为管理人员提供全面的系统运行信息和决策支持。尽管面临一些挑战，但通过采用合适的技术和策略，可以有效解决这些问题，充分发挥监控管理模块的作用，推动调度系统的不断发展和优化。
针对可视化监控，现场应用了两种实现手段：
开发可视化地图管理界面，实时追踪AGV当前位置和AGV状态信息，便于设备维护人员和管理人员准确定位车辆信息，并通过可视化大屏显示，提升了现场设备的信息化水平。AGV地图管理模块，如图10所示。
图10 AGV地图管理页面
现场配置高清监控摄像头，对全流程设备对接、AGV室外自动搬运、交通管制路口进行监控，真正做到全方位监控，能够实时查看设备当前运行状态。另外现场所有设备24小时运行，监控摄像硬盘录像机可以回看设备运行记录，便于设备故障排查和问题记录。视频监控管理，如图11所示。
图11 视频监控管理
三
实践应用效果
本文所设计的室外重载AGV已在国内某不锈钢工厂投入使用，与其它友商的室外AGV应用相比，灵活性更强，稳定性更高。
室外重载AGV可实现24小时不间断运行，不受人工疲劳、休息时间限制。相比人工叉车，其能持续稳定地完成物料搬运任务，大大提升了物流运输效率。例如在某不锈钢厂，AGV每天工作时长比人工叉车多出10小时以上，有效缩短了订单交付周期。
通过先进的导航系统，AGV能依据预设的最优路径运行，避免了叉车在厂区内可能出现的路线混乱和拥堵情况。在物料转运频繁的不锈钢生产车间，AGV能快速且准确地将货物送达指定地点，减少了物料在途时间。
引入室外重载AGV后，该不锈钢厂可大幅减少叉车司机等人力投入。据统计，该不锈钢厂在应用 室外重载AGV后，物流部门人力成本降低了40%，节省的人力可调配至其他关键生产岗位。
人工操作叉车存在因疲劳、误操作等引发事故的风险。而AGV配备了多种安全传感器，如激光避障、碰撞检测等装置，能在第一时间感知障碍物并自动停止或避让，有效避免了碰撞事故，保障了人员和设备安全。
无论是烈日炎炎还是暴雨倾盆，室外重载AGV都能正常工作。其防护等级高，关键部件具备防水、防尘、防晒功能，确保在各种室外天气条件下都能完成物料搬运任务，保障生产的连续性。
不锈钢厂内的道路可能存在坡度、坑洼等情况，AGV通过优化的底盘设计和驱动系统，能轻松应对这些复杂地形，稳定地运输货物，展现出强大的环境适应能力。
四
结论
通过室外重载AGV整套系统的研发设计及应用，为不锈钢工厂及相关行业提供了一种更高效、更可靠的解决方案。其主要内容包括：
1.室外重载AGV能够按照预设的最优路线，快速且精准地完成物料搬运工作，实现了生产流程的高效衔接，使不锈钢厂整体生产效率得到显著提升。
2.引入室外重载AGV后，不锈钢厂可减少大量叉车司机和搬运工人的雇佣，从而降低了人工薪酬、福利等成本支出。
3.室外重载AGV作为智能物流的关键设备，能够与不锈钢厂的生产管理系统、仓储管理系统等深度融合，实现物料信息的实时共享和物流过程的全程监控，为企业构建智能化、数字化的物流体系奠定基础。
此方案的实际使用结果对室外重载应用的相关行业具有重要的指导意义，有助于提高室外远距离恶劣环境下的物料搬运，有助于行业向智能化、柔性化方向发展。
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：王茜
本文内容源自
欢迎文末分享、点赞、在看！转载请联系后台。
广告宣传
来源：晓晨论科技
