陳甲偉，劉 英+，於亞斌，楊雨圖，王德鎮(zhèn)

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.機(jī)電產(chǎn)品包裝生物質(zhì)材料國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210037)

0 引言

在德國(guó)提出“工業(yè)4.0”的國(guó)際背景下，我國(guó)出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》的戰(zhàn)略政策，旨在推動(dòng)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的智能化進(jìn)程。以智能制造為基礎(chǔ)的智能工廠成為各行各業(yè)的革新目標(biāo)，其中無(wú)人加工生產(chǎn)線的改造成為向智能工廠轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[1]。近年來(lái)，實(shí)木板材加工生產(chǎn)過(guò)程大部分已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但各個(gè)工序之間的運(yùn)輸與銜接仍需要大量人工，勞動(dòng)力成本的不斷提高制約了企業(yè)的發(fā)展。為提高實(shí)木板材加工的生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)實(shí)木板材加工行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，本文研發(fā)了一種實(shí)木板材加工生產(chǎn)線的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，通過(guò)利用自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)進(jìn)行無(wú)人運(yùn)輸與裝卸，有效解決實(shí)木板材各個(gè)加工工序之間搬運(yùn)成本高的問(wèn)題。

1 實(shí)木板材加工生產(chǎn)線的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于江蘇某機(jī)械有限公司的實(shí)木板材加工現(xiàn)狀，其生產(chǎn)線將原木加工成實(shí)木板材，盡管該生產(chǎn)加工線已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，但為了提高木材的利用率，工廠將短材拼接成規(guī)格材，即通過(guò)指接生產(chǎn)線對(duì)較小尺寸的實(shí)木板材進(jìn)行梳齒和開(kāi)榫加工[2]，利用“指接”方法結(jié)合成長(zhǎng)條實(shí)木板材，再鋸切成滿足生產(chǎn)規(guī)格的板材。為提高實(shí)木板材加工的智能化水平，企業(yè)對(duì)傳統(tǒng)加工生產(chǎn)線進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)生產(chǎn)線上加上圖像識(shí)別裝置，用于智能掃描識(shí)別，并挑選出具有缺陷的板材?；趫D像識(shí)別的板材智能裁剪生產(chǎn)線利用圖像識(shí)別裝置確定實(shí)木板材缺陷(如蟲(chóng)眼、結(jié)疤等)的位置信息[3]，然后通過(guò)智能裁剪裝置將缺陷部分進(jìn)行切除，使無(wú)缺陷部分能夠接長(zhǎng)使用。

自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)用于傳統(tǒng)實(shí)木板材自動(dòng)化加工生產(chǎn)線、板材智能裁剪生產(chǎn)線與智能指接加工生產(chǎn)線之間的銜接，實(shí)現(xiàn)實(shí)木板材的智能搬運(yùn)與智能裝卸。通過(guò)圖像識(shí)別裝置與彈出裝置對(duì)傳統(tǒng)加工生產(chǎn)線加以改造，對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線進(jìn)行智能升級(jí)，增加缺陷材的智能挑選功能，利用直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)功能區(qū)板材的上料與堆疊作業(yè)，然后由AGV將各種板材搬運(yùn)至相應(yīng)的規(guī)格材料區(qū)，實(shí)現(xiàn)實(shí)木板材加工廠的無(wú)人生產(chǎn)與無(wú)人搬運(yùn)。如圖1所示為板材智能裁剪生產(chǎn)線，如圖2所示為智能指接加工生產(chǎn)線。

經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)自動(dòng)化加工生產(chǎn)線與智能指接加工生產(chǎn)線處理后的實(shí)木板材規(guī)格為1 200 mm×150 mm×18 mm，為了跟上生產(chǎn)節(jié)奏、保證效率，托盤的容量應(yīng)能容納5排板材，且為確保AGV搬運(yùn)板材過(guò)程的平穩(wěn)性，托盤四角應(yīng)帶有支撐體。為搬運(yùn)方便，選用抬升移載式AGV，同時(shí)AGV應(yīng)配備有智能導(dǎo)航與定位裝置，保證搬運(yùn)的位置精度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的環(huán)境布局

自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境包括傳統(tǒng)生產(chǎn)線、板材智能裁剪生產(chǎn)線、智能指接加工生產(chǎn)線、殘缺木料堆積區(qū)、AGV休息區(qū)、進(jìn)料區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)入口分揀臺(tái)和辦公控制中心，其中AGV休息區(qū)為AGV充電與故障維修的場(chǎng)所，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，傳統(tǒng)生產(chǎn)線上帶有缺陷的實(shí)木板材的數(shù)量相對(duì)較小，為了充分發(fā)揮智能裁剪生產(chǎn)線與智能指接加工生產(chǎn)線的作用，工廠另外采購(gòu)成本低、帶有缺陷的板材進(jìn)行加工，并將這些板材堆疊在進(jìn)料區(qū)，利用多個(gè)AGV將各個(gè)功能區(qū)銜接起來(lái)。

傳統(tǒng)生產(chǎn)線上主要加工缺陷少的板材，需要指接的板材不多，大部分搬運(yùn)任務(wù)在其他功能區(qū)進(jìn)行，其中進(jìn)料區(qū)和分揀臺(tái)與其他功能區(qū)之間的搬運(yùn)量最大，由于板材智能裁剪生產(chǎn)線與智能指接加工生產(chǎn)線的加工工序繁多，板材堆疊時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以搬運(yùn)需求相對(duì)較小，同時(shí)為減少AGV行程，殘缺木料堆積區(qū)設(shè)計(jì)在進(jìn)料區(qū)附近。通過(guò)解析法求得各工作區(qū)AGV所需數(shù)量，定義Tr為AGV平均完成一次板材搬運(yùn)過(guò)程的總時(shí)間(單位：s)，

Tr=Tw+Tk+Tm+Tz。

(1)

式中：Tw為AGV平均等待時(shí)間，Tk為平均空載行駛時(shí)間，Tm為平均滿載行駛時(shí)間，Tz為平均板材物料轉(zhuǎn)換時(shí)間。定義ω為板材物料需求時(shí)間，即每隔ω秒會(huì)產(chǎn)生一個(gè)搬運(yùn)任務(wù)，則每小時(shí)搬運(yùn)次數(shù)C=3 600/ω，那么AGV每小時(shí)完成所有任務(wù)C所需的總時(shí)間Ta=C×Tr，設(shè)AGV除去充電時(shí)間的每小時(shí)平均工作時(shí)間為μ秒，則可得AGV數(shù)量的基本公式為：N=Ta/μ，設(shè)AGV每小時(shí)工作時(shí)間為50 min，AGV平均完成一次搬運(yùn)時(shí)間為200 s，根據(jù)各個(gè)工作區(qū)任務(wù)量計(jì)算出傳統(tǒng)生產(chǎn)線、進(jìn)料區(qū)、板材智能裁剪生產(chǎn)線與殘缺木料堆積區(qū)之間需4輛AGV往返搬運(yùn)板材，當(dāng)傳統(tǒng)生產(chǎn)線的缺陷材產(chǎn)出達(dá)到一個(gè)托盤容量，抽調(diào)4輛小車中的1輛,將板材搬運(yùn)至智能裁剪生產(chǎn)線，智能裁剪生產(chǎn)線與智能指接加工生產(chǎn)線之間由3輛AGV進(jìn)行板材搬運(yùn)，智能指接加工生產(chǎn)線、傳統(tǒng)生產(chǎn)線與倉(cāng)儲(chǔ)入口分揀臺(tái)之間由4輛AGV進(jìn)行搬運(yùn)，共11輛AGV。自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)環(huán)境布局基于80 m×50 m的生產(chǎn)面積，其中傳統(tǒng)生產(chǎn)線部分占地面積為65 m×15 m，在該傳統(tǒng)生產(chǎn)線上，主要加工較好的板材，這些板材中只有少量帶有缺陷，被機(jī)器人挑選出來(lái)后放置在缺陷材堆疊口，加工完成的無(wú)缺陷成品板材放置于成品材堆疊口，其他功能區(qū)的占地面積與位置如圖3所示。

2 自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸系統(tǒng)(AGVS)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸系統(tǒng)(Automated Guided Vehicle System，AGVS)主要包含中心控制模塊、AGV監(jiān)控模塊、定位模塊、通信模塊和自動(dòng)充電模塊，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)任務(wù)的分配與調(diào)度[4]、AGV的自動(dòng)定位與導(dǎo)航、AGV路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制[5]，是無(wú)人生產(chǎn)搬運(yùn)系統(tǒng)的核心。

2.1 導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上常用的AGV導(dǎo)航方式主要有磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航[6]、慣性導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航[7]。在視覺(jué)導(dǎo)航中，QR碼(quick response code)導(dǎo)航因其高效穩(wěn)定的特點(diǎn)得到眾多AGV廠商的青睞。在實(shí)木板材加工工廠環(huán)境中，AGV對(duì)搬運(yùn)速度和精度有一定要求，故本文采用QR碼導(dǎo)航，每個(gè)碼有唯一編號(hào)，由AGV車載相機(jī)進(jìn)行識(shí)別讀取信息，從而實(shí)現(xiàn)AGV的導(dǎo)航控制，二維碼標(biāo)簽材料選用耐磨損標(biāo)簽，且定期更換以確保有效識(shí)別。同時(shí)，為了減少工廠中粉塵對(duì)識(shí)別的影響，要求在AGV上配備吹塵裝置，在識(shí)別二維碼前將可能存有的粉塵驅(qū)除。QR碼的識(shí)別計(jì)算過(guò)程如圖4b所示，其中N1、N2、N3為定位圖案輪廓，⊿N1N2N3為等腰直角三角形；原點(diǎn)O為所求QR碼的中心，向量N1N2為旋轉(zhuǎn)軸向量。

設(shè)AGV車載相機(jī)掃描QR碼時(shí)的誤差角為θ，θ∈[-180°,+180°]，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向。設(shè)實(shí)際旋轉(zhuǎn)向量為N1′N2′，則通過(guò)式(2)可計(jì)算出誤差角θ如下:

(2)

橫、縱位置誤差為:

(3)

式(3)中Δx和Δy分別為橫、縱位置誤差，實(shí)際采集QR碼的中心坐標(biāo)為O(Ox,Oy)，AGV車載相機(jī)分辨率為(2W)×(2L)，W、L分別為水平像素和豎直像素，Sx為QR碼定位圖案像素面積，S0為QR碼的真實(shí)面積，D為定位圖案的邊長(zhǎng)。AGV相對(duì)于QR碼的位姿表示為P(x,y,μ)，其中x=Ox+Δx,y=Oy+Δy,μ=θ,AGV在整個(gè)電子地圖中的坐標(biāo)設(shè)為(Xi,Yi)，從掃描到當(dāng)前QR碼至AGV到達(dá)下一個(gè)QR碼為止，AGV在電子地圖坐標(biāo)系中的任意時(shí)刻位置表達(dá)(X,Y,γ)可由式(4)求出,γ表示AGV位姿正向與行駛路徑方向的角度偏差。二維碼放置位置需確保AGV可以不間斷識(shí)別到二維碼，從而實(shí)時(shí)確定本身的位置信息，達(dá)到向任意方向行駛的效果。

(4)

2.2 電子地圖的建立

電子地圖是AGVS可視化交互界面的基礎(chǔ)，能夠?qū)崟r(shí)顯示AGV的運(yùn)行狀態(tài)。用于AGVS的電子地圖主要有特征地圖[8]、拓?fù)涞貓D[9]和柵格地圖[10]3類。其中柵格地圖將實(shí)際地圖劃分為相同大小的網(wǎng)格，便于創(chuàng)建、表示和維護(hù)，便于規(guī)劃短路徑，且本文設(shè)計(jì)的實(shí)木板材自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)中，各個(gè)設(shè)備的位置固定不變，故采用柵格地圖進(jìn)行環(huán)境表述。實(shí)際地圖由公司提供數(shù)據(jù)并經(jīng)實(shí)際核對(duì)，在工作環(huán)境合理改造后確定工作區(qū)域與AGV可行駛區(qū)域，僅對(duì)AGV可行駛區(qū)域柵格化，根據(jù)板材規(guī)格長(zhǎng)度為1.2 m，將柵格尺寸設(shè)置為2×2 m，確保足夠的AGV安全行駛空間，避免擁堵和碰撞發(fā)生。根據(jù)規(guī)劃的系統(tǒng)環(huán)境布局建立的電子地圖如圖5所示，為了最簡(jiǎn)化AGV的任務(wù)分配，將地圖分為3個(gè)主要工作區(qū)域：板材智能裁剪工作區(qū)A、智能指接加工工作區(qū)B、成品板材搬運(yùn)工作區(qū)C，系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，AGV只在各工作區(qū)內(nèi)部搬運(yùn)，當(dāng)工作區(qū)之間的搬運(yùn)任務(wù)量出現(xiàn)較大差別時(shí)，系統(tǒng)重新分配各工作區(qū)AGV數(shù)量。實(shí)際廠房工作區(qū)環(huán)境中的支柱等不可行駛區(qū)域在地圖中由標(biāo)準(zhǔn)形狀的黑色柵格表示，且其柵格輪廓已包含AGV與障礙物之間的安全距離。

2.3 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

常用的AGV路徑規(guī)劃算法包括Dijkstra算法[11]、A*算法[12]、遺傳算法[13]、蟻群算法[14]等，姜康[15]基于線纜在布置時(shí)主要考慮線纜與組件之間干涉問(wèn)題，使用剛性因子評(píng)估連續(xù)彎折時(shí)的線纜路徑來(lái)改進(jìn)A*算法完成合理的布線路徑。余必秀[16]基于無(wú)人船在避開(kāi)障礙物后需要回到預(yù)設(shè)航線的需求，對(duì)船舶的不同位置采用不同的估價(jià)函數(shù)進(jìn)行路徑規(guī)劃求解，使船舶更快地回到預(yù)設(shè)航線。本文基于實(shí)木板材生產(chǎn)環(huán)境對(duì)路徑算法提出基本規(guī)則：①確保AGV實(shí)際行駛所需時(shí)間最少；②路徑信息盡量簡(jiǎn)潔?；谝?guī)則提出節(jié)點(diǎn)優(yōu)簡(jiǎn)算法，通過(guò)在初始最短路徑的基礎(chǔ)上，一方面盡可能減少路徑轉(zhuǎn)彎的次數(shù)，去除AGV轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的減速和再加速時(shí)間來(lái)縮短實(shí)際行駛時(shí)間，另一方面去除直線路徑里的中間節(jié)點(diǎn)，只記錄關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息并傳遞至AGV。算法整體公式為：

F(n)=G(n)+H(n)+T(Kn)+S(ω)。

(5)

式中：G(n)+H(n)為初始最短路徑的求解函數(shù)；G(n)為代價(jià)函數(shù)，表示從初始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的真實(shí)距離值；H(n)為啟發(fā)函數(shù)，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最短路徑的估計(jì)距離值，常用的啟發(fā)函數(shù)有曼哈頓距離函數(shù)[17]、對(duì)角線距離函數(shù)和歐幾里得距離函數(shù)[18]，在本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的地圖環(huán)境中，啟發(fā)函數(shù)采用曼哈頓距離函數(shù)，即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在X軸方向的距離差值與Y軸方向距離差值的和，其計(jì)算公式為：

H(n)=|xn-xgoal|+|yn-ygoal|。

(6)

式中T(Kn)為共線節(jié)點(diǎn)優(yōu)化函數(shù)，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為共線節(jié)點(diǎn)的方法為：已知節(jié)點(diǎn)Pi+1為AGV當(dāng)前位置點(diǎn)，在地圖中坐標(biāo)為(xi+1,yi+1)，節(jié)點(diǎn)Pi為AGV剛駛過(guò)的節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為(xi,yi)，節(jié)點(diǎn)Pi+2為下一待到達(dá)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為(xi+2,yi+2),由式(7)和式(8)求得線段PiPi+1與線段Pi+1Pi+2的斜率分別為KPiPi+1和KPi+1Pi+2：

(7)

(8)

若KPiPi+1=KPi+1Pi+2，則節(jié)點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2在同一行駛方向上，節(jié)點(diǎn)Pi+1為冗余的共線節(jié)點(diǎn)，因此不加入路徑節(jié)點(diǎn)計(jì)算列表中，此時(shí)T(Kn)=0；若KPiPi+1≠KPi+1Pi+2，則該節(jié)點(diǎn)為拐點(diǎn)，此時(shí)T(Kn)=1。

式(5)中S(ω)為多余拐點(diǎn)優(yōu)化函數(shù)，判斷拐角節(jié)點(diǎn)是否為多余拐點(diǎn)，方法為：已知節(jié)點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2為路徑拐角的3個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Pi+1為拐角節(jié)點(diǎn)，Pi、Pi+2為前后兩節(jié)點(diǎn)，若節(jié)點(diǎn)Pi與節(jié)點(diǎn)Pi+2連線之間無(wú)障礙物，則直接刪除節(jié)點(diǎn)Pi+1；若連線路徑上存在障礙物，判斷連線是否與障礙物對(duì)角線之一相交，若相交，則節(jié)點(diǎn)Pi+1保存，否則刪除節(jié)點(diǎn)Pi+1。

如圖6所示，AGV欲從節(jié)點(diǎn)Pi到達(dá)節(jié)點(diǎn)Pi+2，節(jié)點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2的坐標(biāo)分別為(xi,yi)、(xi+1,yi+1)、(xi+2,yi+2)，節(jié)點(diǎn)Z1、Z2、Z3、Z4為地圖中某障礙物的4個(gè)頂點(diǎn)，坐標(biāo)表示為(xZ1,yZ1)、(xZ2,yZ2)、(xZ3,yZ3)、(xZ4,yZ4)。

PiPi+2×PiZ1=[(xi+2-xi)(yZ1-yi)-

(xZ1-xi)(yi+2-yi)]σ=ω1σ，

(9)

PiPi+2×PiZ3=[(xi+2-xi)(yZ3-yi)-

(xZ3-xi)(yi+2-yi)]σ=ω2σ，

(10)

Z3Z1×Z3Pi=[(xZ1-xZ3)(yi-yZ3)-

(xi-xZ3)(yZ1-yZ3)]σ=ω3σ，

(11)

Z3Z1×Z3Pi+2=[(xZ1-xZ3)(yi+2-yZ3)-

(xi+2-xZ3)(yZ1-yZ3)]σ=ω4σ。

(12)

式(9)～式(12)為向量叉乘函數(shù)，其中ω1、ω2、ω3、ω4為向量叉乘系數(shù)，σ為單位向量。若ω1·ω2<0且ω3·ω4<0，則線段PiPi+2與Z1Z3相交，如圖6b所示；否則線段PiPi+2與Z1Z3不相交，如圖6a所示，采用相同方法可判斷線段PiPi+2與Z2Z4是否相交。若線段PiPi+2與障礙物任一對(duì)角線段相交，則拐點(diǎn)Pi+1加入路徑節(jié)點(diǎn)列表，此時(shí)S(ω)=1，AGV行駛路徑節(jié)點(diǎn)為Pi-Pi+1-Pi+2；若不相交，則拐點(diǎn)Pi+1不加入列表，此時(shí)S(ω)=0，AGV行駛路徑節(jié)點(diǎn)為Pi-Pi+2。節(jié)點(diǎn)優(yōu)簡(jiǎn)算法流程圖如圖7所示。

如圖8所示為節(jié)點(diǎn)優(yōu)簡(jiǎn)算法與A*算法路徑結(jié)果比較，分別為A區(qū)與C區(qū)的工作路徑，在電子地圖中，工作區(qū)與障礙物的邊框已包含與AGV的安全距離，路徑除去不可與其邊框相交情況下，可到達(dá)地圖任意位置。按每個(gè)柵格邊長(zhǎng)為1計(jì)算，具體數(shù)據(jù)如表1所示，從起點(diǎn)(2.5,4.5)至終點(diǎn)(14.5,15.5)，與A*算法相比，節(jié)點(diǎn)優(yōu)簡(jiǎn)算法的計(jì)算路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少了13個(gè)(72%)，路徑長(zhǎng)度縮短了約1.17(6%)，且轉(zhuǎn)彎次數(shù)減少了2次(40%)，可有效縮短AGV的搬運(yùn)時(shí)間。

表1 算法數(shù)據(jù)結(jié)果比較

2.4 多AGV的協(xié)同規(guī)則

單個(gè)AGV的最優(yōu)路徑由路徑規(guī)劃算法求出，但多輛AGV同時(shí)運(yùn)行時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)路徑交叉的情況，從而造成道路擁堵甚至AGV碰撞的狀況發(fā)生，不合理的調(diào)度會(huì)降低AGV的工作效率，影響生產(chǎn)節(jié)拍[19]，故需針對(duì)多輛AGV的同時(shí)運(yùn)作進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，防止擁堵和碰撞問(wèn)題。根據(jù)AGV行駛情況，可能出現(xiàn)的擁堵碰撞情況有追尾碰撞、相向碰撞、側(cè)面碰撞3種，如圖9所示。

謝永良[20]利用超聲波原理設(shè)計(jì)了避障算法，使AGV在直行時(shí)能夠繞行前方靜態(tài)障礙物、減速或停車避讓動(dòng)態(tài)障礙物，但無(wú)法有效處理多AGV復(fù)雜動(dòng)態(tài)擁堵和碰撞的情況。賀長(zhǎng)征[21]提出基于時(shí)間窗和Dijkstra算法的混合遺傳算法，通過(guò)速度調(diào)節(jié)和更換新路徑的方法，針對(duì)多AGV復(fù)雜擁堵情況，能夠精確地為AGV規(guī)劃出一條無(wú)碰撞無(wú)沖突的最短路徑，但由此帶來(lái)的計(jì)算會(huì)影響整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率，且路徑的變換會(huì)增加AGV轉(zhuǎn)彎次數(shù)，增加實(shí)際行駛時(shí)間。本文系統(tǒng)從軟件與硬件兩方面共同設(shè)計(jì)，做到問(wèn)題的預(yù)防與有效處理。在軟件方面，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型函數(shù)優(yōu)化路徑，使AGV不會(huì)在同一直線路徑對(duì)向行駛，且基于求解路徑行駛，減少?zèng)_突再增加的可能，在最少實(shí)際行駛時(shí)間的規(guī)則下，基于規(guī)劃路徑提前預(yù)知沖突節(jié)點(diǎn)，使AGV在行駛時(shí)對(duì)可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)防。

碰撞預(yù)防處理的目標(biāo)函數(shù)如下：

(13)

式中：q為AGV的集合，q=(1,2,3,…,qk)，k為AGV數(shù)量；R為地圖中所有節(jié)點(diǎn)的集合，i,j∈R，i,j用來(lái)表示AGV在R中的節(jié)點(diǎn)位置；di,j為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的距離。

約束條件：

(14)

(15)

(16)

(17)

dij≠dji,i,j∈R。

(18)

其中：式(14)表示AGVqk通過(guò)節(jié)點(diǎn)i后，下一行駛目標(biāo)只有唯一節(jié)點(diǎn)j；式(15)表示駛向節(jié)點(diǎn)j的AGVqk已通過(guò)的節(jié)點(diǎn)僅有一個(gè)，即節(jié)點(diǎn)i；式(16)約束AGV從路徑起點(diǎn)開(kāi)始搬運(yùn)，Os表示路徑起點(diǎn)；式(17)約束AGV到達(dá)路徑終點(diǎn)，Of表示路徑終點(diǎn)；式(18)表示AGV行駛時(shí)所在路徑只能單向通過(guò)。

AGV在行駛時(shí)實(shí)時(shí)申請(qǐng)占用前方路徑節(jié)點(diǎn)，若路徑出現(xiàn)重合，重合節(jié)點(diǎn)被其中一輛AGV占用，另一輛AGV則無(wú)法申請(qǐng)，即為沖突，若AGV繼續(xù)前行則可能出現(xiàn)碰撞，如圖10所示，1號(hào)AGV已占領(lǐng)節(jié)點(diǎn)，2號(hào)AGV進(jìn)行沖突預(yù)防。

對(duì)此情況通過(guò)安全距離限制AGV的行駛速度預(yù)防碰撞的發(fā)生，式(19)中：Plock表示2號(hào)AGV申請(qǐng)占領(lǐng)的下一段路徑長(zhǎng)度，vmax為AGV的最大行駛速度，v1為AGV的最小行駛速度，即0 m/s，v0為AGV的當(dāng)前行駛速度，a為AGV加速度，Rs表示AGV從最大速度減速到停止所需的安全距離，在圖10中可以看出這個(gè)距離的范圍是一個(gè)圓，代表不同方向來(lái)的AGV在原點(diǎn)停止的安全距離。Ls表示2號(hào)AGV申請(qǐng)占領(lǐng)節(jié)點(diǎn)失敗后，預(yù)減速的一段距離，在2號(hào)AGV預(yù)減速時(shí)，若1號(hào)AGV已經(jīng)駛離，沖突節(jié)點(diǎn)被釋放，則2號(hào)AGV從當(dāng)前速度逐漸加速行駛，若沖突節(jié)點(diǎn)未被釋放，2號(hào)AGV在到達(dá)安全距離時(shí)停止，待1號(hào)AGV駛出安全距離時(shí)再逐漸加速通過(guò)。

(19)

U(path1,path2)=Rpath1∩Rpath2，

(20)

tpath1k1Uh>tpath2k2Uh→Ppath1k1

(21)

式(20)根據(jù)路徑規(guī)劃算法求出的兩條AGV行駛路徑中的沖突節(jié)點(diǎn)判斷AGV在行駛過(guò)程中發(fā)生沖突的可能性，U(path1,path2)表示行駛路徑path1與path2沖突節(jié)點(diǎn)的集合；式(21)基于排隊(duì)算法，以先到先得的原則確定AGV的優(yōu)先級(jí)，先申請(qǐng)到節(jié)點(diǎn)的AGV優(yōu)先通過(guò)，申請(qǐng)失敗的AGV減速等待優(yōu)先級(jí)高的AGV通過(guò)后再行駛，tpath1k1Uh表示行駛路徑path1中第k1輛AGV到達(dá)第h個(gè)沖突節(jié)點(diǎn)所需時(shí)間，Ppath1k1表示行駛路徑path1中第k1輛AGV的優(yōu)先級(jí)。

在硬件方面，首先保證每輛AGV裝配實(shí)時(shí)測(cè)距裝置，使AGV與其他車輛和障礙物之間有足夠的安全距離，其次為防止系統(tǒng)失效的情況，每輛AGV加裝保險(xiǎn)杠，用于AGV發(fā)生碰撞時(shí)緩沖撞擊力，保護(hù)設(shè)備。

2.5 系統(tǒng)實(shí)例

根據(jù)AGVS的設(shè)計(jì)規(guī)劃，通過(guò)C++程序語(yǔ)言系統(tǒng)開(kāi)發(fā)面向?qū)嵞景宀募庸どa(chǎn)線的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)登陸界面如圖11所示。

系統(tǒng)監(jiān)控與控制界面如圖12所示，電子地圖中實(shí)時(shí)顯示11輛AGV，工作區(qū)A包含1、2、3、4號(hào)AGV，B區(qū)包含5、6、7號(hào)AGV，C區(qū)包含8、9、10、11號(hào)AGV，AGV的路徑顯示為AGV當(dāng)前位置至終點(diǎn)的路徑。控制臺(tái)中的路徑起點(diǎn)和終點(diǎn)默認(rèn)為系統(tǒng)自動(dòng)輸入，特殊情況時(shí)可由操作員進(jìn)行更改，當(dāng)AGV的通信狀態(tài)顯示為故障時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警并激活急停按鈕，使AGV即時(shí)停止，避免事故的發(fā)生。根據(jù)AGV規(guī)格，空載AGV的直線速度為1 m/s，轉(zhuǎn)彎速度為0.5 m/s，載貨AGV的直線速度為0.6 m/s，轉(zhuǎn)彎速度0.3 m/s，AGV安全距離以最大速度計(jì)算Rs=1.6 m，安全距離內(nèi)以轉(zhuǎn)彎速度行駛，故載貨AGV通過(guò)轉(zhuǎn)彎處安全區(qū)所需時(shí)間較直線行駛通過(guò)多花費(fèi)時(shí)間約為5 s。根據(jù)搬運(yùn)速度和轉(zhuǎn)彎耗時(shí)，各工作區(qū)中的載貨AGV極限工作路程所需時(shí)間如表2所示，即以載貨AGV的最大行駛速度計(jì)算，得出每個(gè)工作區(qū)內(nèi)載貨AGV最短工作路程與最長(zhǎng)工作路程所需時(shí)間。

表2 各工作區(qū)載貨AGV極限搬運(yùn)距離時(shí)間

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)木板材加工生產(chǎn)線的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)主要解決工廠中各生產(chǎn)線間物料搬運(yùn)時(shí)人工成本高的問(wèn)題。基于自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，確定了系統(tǒng)的主要組成部分，具體根據(jù)板材的規(guī)格和搬運(yùn)需求，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)線加以改造并選擇搬運(yùn)AGV的類型，保證系統(tǒng)智能流暢地運(yùn)行。系統(tǒng)環(huán)境布局的設(shè)計(jì)維持了生產(chǎn)效率與搬運(yùn)效率的平衡，在有效利用空間的同時(shí)提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效益。通過(guò)設(shè)計(jì)AGV導(dǎo)航系統(tǒng)、建立了電子地圖、改進(jìn)了路徑算法、制定了系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度規(guī)則與多AGV協(xié)同運(yùn)作制度，使自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)智能分配、AGV智能行駛與控制等一系列功能。實(shí)木板材加工生產(chǎn)線自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的研究使板材工廠中各生產(chǎn)線之間的物料銜接實(shí)現(xiàn)無(wú)人化運(yùn)作，節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效益，對(duì)實(shí)木板材加工企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展有著積極的推進(jìn)作用。未來(lái)將研究基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法的多AGV避障方法，結(jié)合路徑規(guī)劃算法，以進(jìn)一步提高自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。