胡建

摘要：研究了在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，即在世界級工廠視角下燒料車間對AGV進行智能導(dǎo)航與定位的方法。燒料車間存在大量的原料需要搬運，AGV成為重載物料搬運的重點研究方向，一般在研究過程中把AGV系統(tǒng)分為4層進行剖析和建設(shè)，即管理層、通信層、控制層和機械層，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)重點研究了如何進行速度控制以及定位、如何實現(xiàn)導(dǎo)航與避障，并對提出的假設(shè)進行了測試與分析，改進優(yōu)化后效果良好，已穩(wěn)定運行于燒料車間，實現(xiàn)了物料的自動化搬運，極大地解放了人力。

關(guān)鍵詞：世界級制造;燒料車間;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，無人化運作成為未來工業(yè)設(shè)備的發(fā)展方向之一，AGV（Automated Guided Vehicle）是一種無人控制自動牽引車，通常配有自動引導(dǎo)裝置（電磁、RFID、激光或UWB等），使其能按規(guī)劃的路徑運動[1-2]，實現(xiàn)物料搬運、信息指引、動作展示等功能，并具有安全保護和自動避障功能，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動運作、主動充電的自動牽引車[3]。AGV實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、機械層4層結(jié)構(gòu)組成。管理層的功能是實時顯示AGV當前的狀態(tài)、位置及要去的位置，并可保存歷史動作數(shù)據(jù);通信層負責(zé)管理層和控制層間的無線信號通信;控制層接收到管理層的信號后傳達至機械層實現(xiàn)機械動作，如叉取、提升到位、物料搬運等;機械層由叉車、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分構(gòu)成。AGV的基礎(chǔ)設(shè)施是通信層無線信號和定位裝置的敷設(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? ? 物料識別方法

在快消品燒料車間，存在大量的原料搬運過程[4]，根據(jù)物料單配好的原料會集中放在鏟板上存放至緩存區(qū)，每個物料鏟板重量在0.8～1.5 t，需人手工尋找對應(yīng)的物料，并搬運到對應(yīng)的燒料鍋進行燒料，該過程存在較大的效率損失，且需要高強度的體力活動。在此場景下，AGV系統(tǒng)成為解決此搬運問題的首選方案。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，第1節(jié)提到的系統(tǒng)模型分為4層，需分層進行研究和搭建，管理層為系統(tǒng)軟件（界面和數(shù)據(jù)庫），機械層為叉車硬件，基礎(chǔ)設(shè)施是通信層無線信號和定位裝置的敷設(shè)全覆蓋以實現(xiàn)控制層的信號收發(fā)。表1所示為系統(tǒng)模型分層搭設(shè)明細表。

在敷設(shè)完Wi-Fi無線信號和定位裝置后，首要解決的就是物料識別問題，對于燒料鍋物料人工尋找來說，關(guān)鍵信息有3個：物料號、物料所在位置、物料要去的位置。物料號是物料單的必備信息，人工可以讀取，但設(shè)備無法讀取，這是上線AGV及導(dǎo)航定位亟待解決的問題。由于物料號信息不大，筆者選取一維碼作為物料號的讀取碼，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掃碼槍自動識別。識別后綁定當前庫位號，系統(tǒng)即可記錄物料號所在位置，燒料鍋處人工觸發(fā)點料指令（按鈕），系統(tǒng)接收物料要去的位置并發(fā)送指令。如此設(shè)計即可實現(xiàn)系統(tǒng)的物料自動識別，一鍵按鈕輸送到指定位置。圖2所示為條碼生成工具界面，條碼與物料單實現(xiàn)了一一對應(yīng)。

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

物料識別問題解決后，需規(guī)劃現(xiàn)場的庫位以及路徑走向，AGV主要運作路徑分為三部分：

（1）充電及暫放區(qū)：提供自動充電和待機暫放功能，AGV電量低于50%或無任務(wù)時自動進入充電區(qū)對接充電。

（2）物料緩存區(qū)：物料存放處，AGV轉(zhuǎn)運的起點。

（3）各燒料鍋二層平臺：物料使用處，AGV轉(zhuǎn)運的終點。

規(guī)劃好相應(yīng)庫位并錄入系統(tǒng)后，系統(tǒng)可記錄對應(yīng)庫位的位置，便于AGV去適當?shù)膸煳蝗∠鄳?yīng)的物料。圖4所示為現(xiàn)場緩存區(qū)庫位圖及AGV運作的路徑規(guī)劃。

3? ? 導(dǎo)航定位與避障方法

3.1? ? 速度控制與定位檢測

3.1.1? ? 速度實時檢測與控制

速度檢測編碼器和AGV叉車輪緊密相連，每轉(zhuǎn)一圈會產(chǎn)生固定個數(shù)的脈沖，控制器通過檢測一定時限內(nèi)的脈沖數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為圈數(shù)，即可算出AGV速度并進行控制[5-6]。在速度控制過程中，基于增量式PID算法，系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定、準確地實現(xiàn)速度反饋調(diào)節(jié)[7]。偏差為當前速度和設(shè)定速度的差值（前后3次測量值），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)，便于信號處理和傳輸;該值考慮的僅僅是增量，故障少，誤動作信號可濾;信號抗干擾能力強，AGV可平穩(wěn)切換速度，實現(xiàn)降速、提速和異常情況的快速反應(yīng)。

3.1.2? ? 系統(tǒng)定位檢測與庫位設(shè)計

系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了現(xiàn)場復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，對于信號存在屏蔽或干擾的情況，選擇避開或多加反光板的方式，實現(xiàn)信號的互聯(lián)，便于系統(tǒng)進行實時定位檢測。反光板在現(xiàn)場每間隔8 m即部署一個，環(huán)境復(fù)雜時可減小間距多布反光板，結(jié)合激光掃描頭實現(xiàn)實時檢測[8-9]，如圖5所示。

激光掃描頭實現(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，以實現(xiàn)直線行走微調(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，并把AGV可能經(jīng)過的路徑劃分成塊，每塊單獨編號（庫位號），使系統(tǒng)可檢測AGV在哪個庫位號內(nèi)，便于定位、故障處理和系統(tǒng)復(fù)位，AGV復(fù)位后可檢測自身所在位置，便于進行下一步任務(wù)接收和動作。庫位號區(qū)域設(shè)計如圖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)、物料識別方法、速度控制和定位方法，至此，AGV還沒有動作起來，支撐AGV動作起來的是導(dǎo)航和避障方法的設(shè)計，以實現(xiàn)物料從起點搬運至終點的功能。其設(shè)計流程是定位、創(chuàng)建地圖、路徑規(guī)劃、運動和避障，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)庫位號實時更新

AGV導(dǎo)航重點在于激光掃描，包括激光掃描頭和通信系統(tǒng)，激光掃描頭獲取庫位號數(shù)據(jù)并將其傳至管理層，然后管理層發(fā)送命令，無線通信給出AGV起點和終點庫位號，控制層對機械層進行運動控制，實現(xiàn)實時導(dǎo)航定位。為解決庫位號信息展示及易于現(xiàn)場人員隨時查看的問題，筆者在設(shè)計時用顏色來區(qū)分庫位號占用情況，紅色為占用，綠色為空閑，紅色占用時可顯示該庫位對應(yīng)的物料號和庫位號，并可看到AGV正在執(zhí)行哪些任務(wù)，現(xiàn)場管理清晰可視、非常直觀。圖8所示為庫位信息展示。

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)拓撲地圖、激光掃描給出位置和朝向角、實時避障傳感器測距使AGV保持在Voronoi圖[10-11]邊緣動作，根據(jù)此方法設(shè)計的路徑運作準確，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可校正性強。

實現(xiàn)的流程：為AGV所有可能的運作范圍搭設(shè)地圖和庫位號信息，并作出Voronoi圖的邊和頂點，相鄰頂點連接為最優(yōu)化的路徑，對應(yīng)Voronoi圖頂點、相鄰Voronoi圖頂點連接處、轉(zhuǎn)彎處、起始和終點處拓撲成為地圖，并作為路徑規(guī)劃的參考。地圖構(gòu)建如圖9所示，拓撲節(jié)點如圖10所示。

AGV運作中依據(jù)庫位推測法與激光掃描保持直線行走，根據(jù)定位獲得的拓撲節(jié)點（庫位號），AGV通過系統(tǒng)下發(fā)的終點指令可以計算出下一個庫位號，以及給出控制層信號控制機械層動作。AGV頂部的激光掃描頭可以實時獲取周圈信息，并在Voronoi圖邊上運作，實現(xiàn)AGV系統(tǒng)的智能導(dǎo)航定位[12]。

3.2.3? ? 避障保護——人與物間隔安全保障

AGV定位后根據(jù)路徑規(guī)劃開始動作，安裝在AGV前、左、右的避障傳感器實時捕捉環(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，實現(xiàn)人與物間隔的安全運行。避障系統(tǒng)硬件包括三方向超聲測距，設(shè)定優(yōu)先級為最高，直連控制層控制機械層，設(shè)定安全距離內(nèi)一旦有障礙物隨即減速和停止動作，障礙物消失后AGV自動開始運作[13-15]。

4? ? AGV系統(tǒng)測試與運作效果

4.1? ? 導(dǎo)航定位測試

激光掃描頭實時掃描環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至管理層，管理層判斷后下達指令給控制層對運動進行控制，發(fā)送的指令包括下一個庫位和朝向角（方向），使AGV完成設(shè)定的功能。由于燒料車間環(huán)境較為復(fù)雜，會存在一定程度的定位偏差，包括：（1）系統(tǒng)誤差，如通信層信號傳輸不穩(wěn)定，機械層（如軸、齒輪和車輪）磨損的誤差、編碼器測速能力不足等;（2）偶然誤差，如路面凹凸不平且顛簸、車輪漂移或打滑、車輪受力后發(fā)生形變等。消除或減小誤差要尋找根本原因，針對性解決具體問題。筆者通過讀取地面庫位號實時反饋給管理層，然后更新位置信息，對系統(tǒng)誤差和偶然誤差進行校正，實現(xiàn)了運作范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位校正。

4.2? ? 避障系統(tǒng)測試

避障傳感器將采集的測距信號發(fā)送至控制器，測距時系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定雙層防護：障礙物一旦進入2.5 m范圍則AGV減速;進入0.8 m范圍立即停止，在前、左、右3個方向上系統(tǒng)測試結(jié)果良好，且障礙物移開后自動運作并執(zhí)行指定任務(wù)。AGV自動避障的測試完美解決了安全防護問題。

4.3? ? 系統(tǒng)綜合測試與運作效果

本系統(tǒng)在開發(fā)過程中先對各個功能模塊和功能層進行軟硬件測試，重點對導(dǎo)航定位進行優(yōu)化，在測試過程中，多次發(fā)現(xiàn)AGV無故停止運行（非避障傳感器觸發(fā)），停止后需拉回原點方可繼續(xù)運作，對現(xiàn)場生產(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AGV經(jīng)常停止的地方增加反光板以解決信號傳輸?shù)膯栴};二是增加AGV復(fù)位功能（按鍵），一旦發(fā)生無故停止的情況，即可一鍵實現(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)過多次測試與分析，AGV已可實現(xiàn)智能導(dǎo)航定位，并應(yīng)用于燒料車間物料搬運環(huán)節(jié)，極大地節(jié)約了人力資源，實現(xiàn)了現(xiàn)場的物料搬運自動化。

5? ? 結(jié)語

工廠的競爭力在于同等質(zhì)量下產(chǎn)品的降本增效，而世界級工廠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，用自動化設(shè)備逐步替代傳統(tǒng)的機械式、重復(fù)性勞動，用數(shù)字化技術(shù)逐步替代人工統(tǒng)計進行數(shù)據(jù)處理和分析、可視化展示等工作，讓傳統(tǒng)的自動化設(shè)備互聯(lián)通信、可測可控。

本文設(shè)計的AGV智能導(dǎo)航定位提供了在世界級工廠視角下降本增效的方法，并可通過Call-off系統(tǒng)聯(lián)動實現(xiàn)自動叫料，極大地解放了人力，并可使人力投入更有價值的工作中，為產(chǎn)品質(zhì)量提升和效率提高提供了有力保障，進一步提升了工廠的競爭力。

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