胡建

摘要：研究了在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，即在世界級(jí)工廠(chǎng)視角下燒料車(chē)間對(duì)AGV進(jìn)行智能導(dǎo)航與定位的方法。燒料車(chē)間存在大量的原料需要搬運(yùn)，AGV成為重載物料搬運(yùn)的重點(diǎn)研究方向，一般在研究過(guò)程中把AGV系統(tǒng)分為4層進(jìn)行剖析和建設(shè)，即管理層、通信層、控制層和機(jī)械層，在這4層相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施敷設(shè)完畢后，導(dǎo)航與定位方法成為系統(tǒng)的關(guān)鍵?，F(xiàn)重點(diǎn)研究了如何進(jìn)行速度控制以及定位、如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與避障，并對(duì)提出的假設(shè)進(jìn)行了測(cè)試與分析，改進(jìn)優(yōu)化后效果良好，已穩(wěn)定運(yùn)行于燒料車(chē)間，實(shí)現(xiàn)了物料的自動(dòng)化搬運(yùn)，極大地解放了人力。

關(guān)鍵詞：世界級(jí)制造;燒料車(chē)間;AGV;導(dǎo)航定

0? ? 引言

隨著工業(yè)智能化和數(shù)字化的飛速發(fā)展，無(wú)人化運(yùn)作成為未來(lái)工業(yè)設(shè)備的發(fā)展方向之一，AGV（Automated Guided Vehicle）是一種無(wú)人控制自動(dòng)牽引車(chē)，通常配有自動(dòng)引導(dǎo)裝置（電磁、RFID、激光或UWB等），使其能按規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)[1-2]，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)、信息指引、動(dòng)作展示等功能，并具有安全保護(hù)和自動(dòng)避障功能，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)運(yùn)作、主動(dòng)充電的自動(dòng)牽引車(chē)[3]。AGV實(shí)物圖及其組成部分如圖1所示。

1? ? 系統(tǒng)模型

AGV整體系統(tǒng)由管理層、通信層、控制層、機(jī)械層4層結(jié)構(gòu)組成。管理層的功能是實(shí)時(shí)顯示AGV當(dāng)前的狀態(tài)、位置及要去的位置，并可保存歷史動(dòng)作數(shù)據(jù);通信層負(fù)責(zé)管理層和控制層間的無(wú)線(xiàn)信號(hào)通信;控制層接收到管理層的信號(hào)后傳達(dá)至機(jī)械層實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作，如叉取、提升到位、物料搬運(yùn)等;機(jī)械層由叉車(chē)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分構(gòu)成。AGV的基礎(chǔ)設(shè)施是通信層無(wú)線(xiàn)信號(hào)和定位裝置的敷設(shè)全覆蓋，核心部分是控制層，通信層和控制層承上啟下，直接決定AGV系統(tǒng)的最終性能。

2? ? 物料識(shí)別方法

在快消品燒料車(chē)間，存在大量的原料搬運(yùn)過(guò)程[4]，根據(jù)物料單配好的原料會(huì)集中放在鏟板上存放至緩存區(qū)，每個(gè)物料鏟板重量在0.8～1.5 t，需人手工尋找對(duì)應(yīng)的物料，并搬運(yùn)到對(duì)應(yīng)的燒料鍋進(jìn)行燒料，該過(guò)程存在較大的效率損失，且需要高強(qiáng)度的體力活動(dòng)。在此場(chǎng)景下，AGV系統(tǒng)成為解決此搬運(yùn)問(wèn)題的首選方案。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，第1節(jié)提到的系統(tǒng)模型分為4層，需分層進(jìn)行研究和搭建，管理層為系統(tǒng)軟件（界面和數(shù)據(jù)庫(kù)），機(jī)械層為叉車(chē)硬件，基礎(chǔ)設(shè)施是通信層無(wú)線(xiàn)信號(hào)和定位裝置的敷設(shè)全覆蓋以實(shí)現(xiàn)控制層的信號(hào)收發(fā)。表1所示為系統(tǒng)模型分層搭設(shè)明細(xì)表。

在敷設(shè)完Wi-Fi無(wú)線(xiàn)信號(hào)和定位裝置后，首要解決的就是物料識(shí)別問(wèn)題，對(duì)于燒料鍋物料人工尋找來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵信息有3個(gè)：物料號(hào)、物料所在位置、物料要去的位置。物料號(hào)是物料單的必備信息，人工可以讀取，但設(shè)備無(wú)法讀取，這是上線(xiàn)AGV及導(dǎo)航定位亟待解決的問(wèn)題。由于物料號(hào)信息不大，筆者選取一維碼作為物料號(hào)的讀取碼，更新所有的物料單，為其匹配一維碼并印在物料單右上角，用PDA掃碼槍自動(dòng)識(shí)別。識(shí)別后綁定當(dāng)前庫(kù)位號(hào)，系統(tǒng)即可記錄物料號(hào)所在位置，燒料鍋處人工觸發(fā)點(diǎn)料指令（按鈕），系統(tǒng)接收物料要去的位置并發(fā)送指令。如此設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的物料自動(dòng)識(shí)別，一鍵按鈕輸送到指定位置。圖2所示為條碼生成工具界面，條碼與物料單實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)。

圖3所示為條碼識(shí)別錄入設(shè)備及界面，可以獲取預(yù)配單信息并與庫(kù)位號(hào)綁定，便于系統(tǒng)快速識(shí)別相應(yīng)的物料及其所在位置。

物料識(shí)別問(wèn)題解決后，需規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)的庫(kù)位以及路徑走向，AGV主要運(yùn)作路徑分為三部分：

（1）充電及暫放區(qū)：提供自動(dòng)充電和待機(jī)暫放功能，AGV電量低于50%或無(wú)任務(wù)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入充電區(qū)對(duì)接充電。

（2）物料緩存區(qū)：物料存放處，AGV轉(zhuǎn)運(yùn)的起點(diǎn)。

（3）各燒料鍋二層平臺(tái)：物料使用處，AGV轉(zhuǎn)運(yùn)的終點(diǎn)。

規(guī)劃好相應(yīng)庫(kù)位并錄入系統(tǒng)后，系統(tǒng)可記錄對(duì)應(yīng)庫(kù)位的位置，便于A(yíng)GV去適當(dāng)?shù)膸?kù)位取相應(yīng)的物料。圖4所示為現(xiàn)場(chǎng)緩存區(qū)庫(kù)位圖及AGV運(yùn)作的路徑規(guī)劃。

3? ? 導(dǎo)航定位與避障方法

3.1? ? 速度控制與定位檢測(cè)

3.1.1? ? 速度實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制

速度檢測(cè)編碼器和AGV叉車(chē)輪緊密相連，每轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生固定個(gè)數(shù)的脈沖，控制器通過(guò)檢測(cè)一定時(shí)限內(nèi)的脈沖數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為圈數(shù)，即可算出AGV速度并進(jìn)行控制[5-6]。在速度控制過(guò)程中，基于增量式PID算法，系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)速度反饋調(diào)節(jié)[7]。偏差為當(dāng)前速度和設(shè)定速度的差值（前后3次測(cè)量值），根據(jù)控制論其算法為：

Δu（k）=kp[e（k）-e（k-1）]+kie（k）+

kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]=（kp+ki+kd）e（k）-

（kp+2kd）e（k-1）+kde（k-2）? （1）

增量式PID控制算法中，Δu（k）值和且僅和近3次值相關(guān)，便于信號(hào)處理和傳輸;該值考慮的僅僅是增量，故障少，誤動(dòng)作信號(hào)可濾;信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，AGV可平穩(wěn)切換速度，實(shí)現(xiàn)降速、提速和異常情況的快速反應(yīng)。

3.1.2? ? 系統(tǒng)定位檢測(cè)與庫(kù)位設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，對(duì)于信號(hào)存在屏蔽或干擾的情況，選擇避開(kāi)或多加反光板的方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的互聯(lián)，便于系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位檢測(cè)。反光板在現(xiàn)場(chǎng)每間隔8 m即部署一個(gè)，環(huán)境復(fù)雜時(shí)可減小間距多布反光板，結(jié)合激光掃描頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)[8-9]，如圖5所示。

激光掃描頭實(shí)現(xiàn)360°環(huán)掃，給管理層輸出位置和朝向角（系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定朝向和零位）信息，以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)行走微調(diào)和轉(zhuǎn)彎角度控制，確保AGV在系統(tǒng)設(shè)定的路徑內(nèi)移動(dòng)，并把AGV可能經(jīng)過(guò)的路徑劃分成塊，每塊單獨(dú)編號(hào)（庫(kù)位號(hào)），使系統(tǒng)可檢測(cè)AGV在哪個(gè)庫(kù)位號(hào)內(nèi)，便于定位、故障處理和系統(tǒng)復(fù)位，AGV復(fù)位后可檢測(cè)自身所在位置，便于進(jìn)行下一步任務(wù)接收和動(dòng)作。庫(kù)位號(hào)區(qū)域設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2? ? 導(dǎo)航與避障方法

前面研究了基礎(chǔ)設(shè)施敷設(shè)、物料識(shí)別方法、速度控制和定位方法，至此，AGV還沒(méi)有動(dòng)作起來(lái)，支撐AGV動(dòng)作起來(lái)的是導(dǎo)航和避障方法的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)物料從起點(diǎn)搬運(yùn)至終點(diǎn)的功能。其設(shè)計(jì)流程是定位、創(chuàng)建地圖、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)和避障，導(dǎo)航整體方案流程圖如圖7所示。

3.2.1? ? 激光掃描——系統(tǒng)庫(kù)位號(hào)實(shí)時(shí)更新

AGV導(dǎo)航重點(diǎn)在于激光掃描，包括激光掃描頭和通信系統(tǒng)，激光掃描頭獲取庫(kù)位號(hào)數(shù)據(jù)并將其傳至管理層，然后管理層發(fā)送命令，無(wú)線(xiàn)通信給出AGV起點(diǎn)和終點(diǎn)庫(kù)位號(hào)，控制層對(duì)機(jī)械層進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位。為解決庫(kù)位號(hào)信息展示及易于現(xiàn)場(chǎng)人員隨時(shí)查看的問(wèn)題，筆者在設(shè)計(jì)時(shí)用顏色來(lái)區(qū)分庫(kù)位號(hào)占用情況，紅色為占用，綠色為空閑，紅色占用時(shí)可顯示該庫(kù)位對(duì)應(yīng)的物料號(hào)和庫(kù)位號(hào)，并可看到AGV正在執(zhí)行哪些任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)管理清晰可視、非常直觀(guān)。圖8所示為庫(kù)位信息展示。

3.2.2? ? 地圖創(chuàng)建——工業(yè)環(huán)境下路徑規(guī)劃

地圖搭建的方法為敷設(shè)反光板定位、搭設(shè)拓?fù)涞貓D、激光掃描給出位置和朝向角、實(shí)時(shí)避障傳感器測(cè)距使AGV保持在Voronoi圖[10-11]邊緣動(dòng)作，根據(jù)此方法設(shè)計(jì)的路徑運(yùn)作準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可校正性強(qiáng)。

實(shí)現(xiàn)的流程：為AGV所有可能的運(yùn)作范圍搭設(shè)地圖和庫(kù)位號(hào)信息，并作出Voronoi圖的邊和頂點(diǎn)，相鄰頂點(diǎn)連接為最優(yōu)化的路徑，對(duì)應(yīng)Voronoi圖頂點(diǎn)、相鄰Voronoi圖頂點(diǎn)連接處、轉(zhuǎn)彎處、起始和終點(diǎn)處拓?fù)涑蔀榈貓D，并作為路徑規(guī)劃的參考。地圖構(gòu)建如圖9所示，拓?fù)涔?jié)點(diǎn)如圖10所示。

AGV運(yùn)作中依據(jù)庫(kù)位推測(cè)法與激光掃描保持直線(xiàn)行走，根據(jù)定位獲得的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)（庫(kù)位號(hào)），AGV通過(guò)系統(tǒng)下發(fā)的終點(diǎn)指令可以計(jì)算出下一個(gè)庫(kù)位號(hào)，以及給出控制層信號(hào)控制機(jī)械層動(dòng)作。AGV頂部的激光掃描頭可以實(shí)時(shí)獲取周圈信息，并在Voronoi圖邊上運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)AGV系統(tǒng)的智能導(dǎo)航定位[12]。

3.2.3? ? 避障保護(hù)——人與物間隔安全保障

AGV定位后根據(jù)路徑規(guī)劃開(kāi)始動(dòng)作，安裝在A(yíng)GV前、左、右的避障傳感器實(shí)時(shí)捕捉環(huán)境障礙物信息，并傳輸?shù)奖苷舷到y(tǒng)，MCU判斷執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)人與物間隔的安全運(yùn)行。避障系統(tǒng)硬件包括三方向超聲測(cè)距，設(shè)定優(yōu)先級(jí)為最高，直連控制層控制機(jī)械層，設(shè)定安全距離內(nèi)一旦有障礙物隨即減速和停止動(dòng)作，障礙物消失后AGV自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)作[13-15]。

4? ? AGV系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)作效果

4.1? ? 導(dǎo)航定位測(cè)試

激光掃描頭實(shí)時(shí)掃描環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至管理層，管理層判斷后下達(dá)指令給控制層對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，發(fā)送的指令包括下一個(gè)庫(kù)位和朝向角（方向），使AGV完成設(shè)定的功能。由于燒料車(chē)間環(huán)境較為復(fù)雜，會(huì)存在一定程度的定位偏差，包括：（1）系統(tǒng)誤差，如通信層信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，機(jī)械層（如軸、齒輪和車(chē)輪）磨損的誤差、編碼器測(cè)速能力不足等;（2）偶然誤差，如路面凹凸不平且顛簸、車(chē)輪漂移或打滑、車(chē)輪受力后發(fā)生形變等。消除或減小誤差要尋找根本原因，針對(duì)性解決具體問(wèn)題。筆者通過(guò)讀取地面庫(kù)位號(hào)實(shí)時(shí)反饋給管理層，然后更新位置信息，對(duì)系統(tǒng)誤差和偶然誤差進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)作范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位校正。

4.2? ? 避障系統(tǒng)測(cè)試

避障傳感器將采集的測(cè)距信號(hào)發(fā)送至控制器，測(cè)距時(shí)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定雙層防護(hù)：障礙物一旦進(jìn)入2.5 m范圍則AGV減速;進(jìn)入0.8 m范圍立即停止，在前、左、右3個(gè)方向上系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果良好，且障礙物移開(kāi)后自動(dòng)運(yùn)作并執(zhí)行指定任務(wù)。AGV自動(dòng)避障的測(cè)試完美解決了安全防護(hù)問(wèn)題。

4.3? ? 系統(tǒng)綜合測(cè)試與運(yùn)作效果

本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中先對(duì)各個(gè)功能模塊和功能層進(jìn)行軟硬件測(cè)試，重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)航定位進(jìn)行優(yōu)化，在測(cè)試過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)AGV無(wú)故停止運(yùn)行（非避障傳感器觸發(fā)），停止后需拉回原點(diǎn)方可繼續(xù)運(yùn)作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和效率造成了極大影響。

筆者提出的解決辦法如下：一是在A(yíng)GV經(jīng)常停止的地方增加反光板以解決信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題;二是增加AGV復(fù)位功能（按鍵），一旦發(fā)生無(wú)故停止的情況，即可一鍵實(shí)現(xiàn)AGV數(shù)據(jù)歸零重新復(fù)位定位，并繼續(xù)完成已有的任務(wù)。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試與分析，AGV已可實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航定位，并應(yīng)用于燒料車(chē)間物料搬運(yùn)環(huán)節(jié)，極大地節(jié)約了人力資源，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的物料搬運(yùn)自動(dòng)化。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

工廠(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力在于同等質(zhì)量下產(chǎn)品的降本增效，而世界級(jí)工廠(chǎng)則提供了降本增效的手段，即充分利用高速發(fā)展的數(shù)字化信息科技為生產(chǎn)制造賦能，用自動(dòng)化設(shè)備逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械式、重復(fù)性勞動(dòng)，用數(shù)字化技術(shù)逐步替代人工統(tǒng)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析、可視化展示等工作，讓傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備互聯(lián)通信、可測(cè)可控。

本文設(shè)計(jì)的AGV智能導(dǎo)航定位提供了在世界級(jí)工廠(chǎng)視角下降本增效的方法，并可通過(guò)Call-off系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)叫料，極大地解放了人力，并可使人力投入更有價(jià)值的工作中，為產(chǎn)品質(zhì)量提升和效率提高提供了有力保障，進(jìn)一步提升了工廠(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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