全方位移動式AGV技術研究

蘇永華

SU Yong-hua

(北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120)

0 引言

AGV(Automated Guided Vehicles)由于其具有自動化程度高、安全、靈活等特點，因而廣泛應用于汽車制造、機械加工等自動化生產(chǎn)和物流配送系統(tǒng)。它是柔性制造生產(chǎn)線和自動化物流配送中心的關鍵設備之一。隨著產(chǎn)業(yè)升級以及技術進步，AGV 越來越被廣泛應用于各個生產(chǎn)行業(yè)中。

傳統(tǒng)的AGV通常是基于通過電腦來控制其行進路線以及行為，裝備有電磁或光學等自動導引裝置，沿規(guī)定的導引路徑行駛，通常采用單輪驅動（SD）或差輪驅動（DIFF）方式。

全方位式AGV則更適合在空間狹小的生產(chǎn)車間中工作，由于采用全方位驅動（QUAD），對比傳統(tǒng)的AGV具備更高的運動靈活性，更適合大型高密度立體倉庫的場合。對于大型重物的搬運，由于全方位式AGV能夠在有限空間里的快速準確移動定位，通過多個AGV協(xié)作搬運，能夠形成遠大于單個AGV的搬運能力。而多個AGV成的協(xié)作系統(tǒng)，在設計復雜性和成本等方面都優(yōu)于能力特別強的單AGV，是未來AGV技術的重點發(fā)展方向。

本文通過研究全方位移動式AGV移載裝備的控制原理和方法，描述了基于激光、視覺等多傳感器融合的定位技術以及多AGV移載設備協(xié)同工作的搬運系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了AGV開發(fā)的三個重要技術：AGV全方位移動式控制技術、AGV協(xié)作搬運技術以及多傳感器融合導引技術。上述三項技術能夠顯著提升AGV的控制性能，運行速度更快，對大批量搬運作業(yè)的任務執(zhí)行響應更快，配置方式更靈活。

1 AGV系統(tǒng)簡介

本文設計的全方位式AGV硬件系統(tǒng)主要組成部分包括動力系統(tǒng)、導引系統(tǒng)、輔助照明系統(tǒng)和車體本身。動力系統(tǒng)中相對普通AGV系統(tǒng)增加了協(xié)作搬運系統(tǒng)模塊；導引系統(tǒng)則根據(jù)新技術發(fā)展增加了綜合視覺導引系統(tǒng)；在照明系統(tǒng)中添加了協(xié)作照明系統(tǒng)，小車間能夠互相輔助照明，有效解決由于搬運過程中，AGV小車互相遮擋帶來的陰影和目標對象難以分辨的問題。圖1為AGV硬件平臺的具體構成。

圖1 AGV硬件平臺

圖2 AGV系統(tǒng)軟件組成

在該硬件平臺上，需和AGV軟件平臺配套實現(xiàn)滿足協(xié)作裝載、作業(yè)調度的功能，其結構如圖2所示。

該AGV系統(tǒng)通過人機界面形成交互，并根據(jù)輸入的指令以及搬運系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，生成適合當前AGV工作狀態(tài)的作業(yè)序列。同時根據(jù)根據(jù)現(xiàn)場情況進行動態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)事先指定的最優(yōu)化目標（例如時間最優(yōu)或能耗最優(yōu)等），選擇是否進行協(xié)作作業(yè)或單獨作業(yè)，并生成當前各個AGV的作業(yè)序列碼。

軟件系統(tǒng)生產(chǎn)AGV作業(yè)序列碼的同時，還將相關指令傳輸?shù)奖O(jiān)控設備，用于監(jiān)測異常，保證統(tǒng)的正常運行。當前AGV指令序列如果執(zhí)行異?；駻GV小車發(fā)生異常，將通過監(jiān)控系統(tǒng)反饋確認，并由軟件作業(yè)模塊重新規(guī)劃AGV作業(yè)隊列，同時產(chǎn)生報警等等信息。

2 全向式AGV實現(xiàn)的關鍵技術

全向式AGV系統(tǒng)的實現(xiàn)，重點在于其靈活性和協(xié)作裝載，因此關鍵點在于：1）AGV 的全方位輪驅動技術。2）基于激光、視覺等多傳感器融合的導引技術。3）多AGV的協(xié)作裝載技術。

2.1 AGV全方位輪驅技術

采用重載型全方位輪的機構設計實現(xiàn)AGV的全方位自由移動，核心設備采用4個麥卡那姆輪組成。對于全方位輪由于采用自由滾輪導致越障能力減弱以及由于其結構特性帶來的運動打滑的缺陷，通過優(yōu)化滾輪的懸掛結構，建立轉輪/動力驅動的運動優(yōu)化模型，通過姿態(tài)控制環(huán)路與運動控制大環(huán)路結合的方法，優(yōu)化輪動驅動，防止上述故障的發(fā)生。圖3為輪向控制涉及的硬件配置圖。

圖3 輪向控制硬件配置圖

全方位移動AGV的各向最大速度、運動穩(wěn)定性、運動效率都存在著各向相異性，從而AGV沿各向運動的效果存在很大差異，傳統(tǒng)的運動控制方法無法充分發(fā)揮全方位移動AGV的運動優(yōu)越性。而現(xiàn)代的AGV應用，對運動穩(wěn)定性、平滑性以及效率功耗方面提出了更高的要求。為滿足以上運動要求，在控制全方位移動AGV時，本項目通過引入各向相異性，解決在高速下的多軸速度協(xié)調問題以及高速運動時的穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)姿態(tài)優(yōu)先的全方位移動的精確協(xié)調控制，達到運動規(guī)劃的高效性目的；同時獲得對系統(tǒng)干擾及參數(shù)變化具有完全的自適應性與不變性的控制效果，優(yōu)化AGV無碰撞路徑，從而提出一套適用于要求高速、穩(wěn)定且效率高的應用場合下全方位移動式AGV的運動控制方法。

基于各向相異性特性的輪驅技術，核心控制流程圖如圖4所示。

圖4 AGV輪驅內環(huán)控制流程圖

在求解AGV的路徑規(guī)劃與運動作業(yè)指令時，同樣考慮了AGV的各項異性輪驅特性，并形成基于AGV輪驅的運動外環(huán)控制流程。外環(huán)流程中以傳統(tǒng)的人工勢場法作為初始規(guī)劃方案，并引入路徑障礙物模型，實時給出AGV的安全避障區(qū)間，到達目標點的短路徑區(qū)間等關鍵結果。路障模型支持動態(tài)添加與自動識別添加。AGV的運動控制流程圖如圖5所示。

圖5 基于各項異性的AGV運動規(guī)劃流程

2.2 定位導引與防撞技術

1）定位技術

首先在AGV需要經(jīng)過的路線上鋪設特征帶，在AGV車體底部架設視覺傳感設備，當AGV車體在特征帶上經(jīng)過時，通過視覺系統(tǒng)對特征帶上圖案的識別，實現(xiàn)AGV的精確定位。基于普通特征模板匹配直觀易懂，但在實際應用中面臨許多困難，主要表現(xiàn)在當存在光照、視角等變換時，無法得到正確的匹配結果。項目組經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)圖像模板借鑒傳統(tǒng)二維碼方式時，鑒別率最高。因此采用二維碼框架，作為模板基礎。具體示意圖如圖6所示。

圖6 二維碼定位模板

這種模板由正方形黑色邊框構成，內部在規(guī)定位置上印有不同圖案。經(jīng)閾值分割后，可以比較容易的提取黑色邊框的四條邊緣，利用四條邊緣的圖像坐標與已知的模板信息，可以計算出該模板的投影變換。經(jīng)過投影反變換，即可將圖像轉為類似模板庫中的圖像，從而可以方便的利用模板匹配法識別出該圖形的種類，解決了模板匹配法無法應對投影變換的問題。

如果實際物流系統(tǒng)中定位點數(shù)量不超過65536處，攜帶的信息量較少，可以將二維碼圖案進行簡化或者直接采用二維碼版本（即21×21大小）。本項目的內部圖案設計成如圖7所示，方便提高識別率。

圖7 定位用的內部簡化碼型圖

定位、導引方法研究將所有跟蹤識別到的特征點形成空間位置地圖，并針對其出現(xiàn)與消失進行有效管理，幫助實現(xiàn)位姿估計。在新的特征點出現(xiàn)并識別后，記錄并納入到地圖結構中。在特征點穩(wěn)定出現(xiàn)并成功跟蹤后，在地圖構建中記錄連續(xù)幾幀的位置；特征點消失或不再能觀察識別后，從地圖中刪除特征點的信息。為成功實現(xiàn)位姿估計，在地圖中需保持足夠數(shù)目的特征點數(shù)量。圖8為定位示意圖。

圖8 AGV的定位示意圖

2）防撞技術

考慮使用ZDM/SL激光掃描測距儀進行周邊環(huán)境的檢測，支持360°掃描。當小車到達危險區(qū)域或有障礙物阻擋時，AGV小車通過自身定位以及AGV上位系統(tǒng)指示，確定是否進行避讓或者減速，當確定障礙物為非法闖入或非預設障礙物時，將快速停止運動。

考慮到激光掃描測距的成本較高，也可嘗試通過配備視覺導引和紅外反射式光電開關的方法進行防撞設計。視覺導引系統(tǒng)將根據(jù)行進路線上的物理進行較遠距離識別（1m以上），確認不會阻擋前進或后退。當發(fā)現(xiàn)遠端具備阻擋可能性后，將啟動紅外線光電開關進行精確探測，并做好防撞減速準備。當靠近障礙對象后，將通過紅外最終確認，并采取對應措施。

2.3 多系統(tǒng)融合與多協(xié)作AGV技術

1）協(xié)作搬運技術

在多個AGV協(xié)作搬運過程中，AGV將作為一個整體進行協(xié)調，因此單個AGV的裝載角度與姿態(tài)必須保持一致。因此AGV必須利用多維感知傳感器感知部件相對位移，調整部件位置，同時防止多AGV協(xié)同搬運過程中對部件的損壞。對單個AGV小車而言，相對搬運整體的前進速度以及側向位移均需要控制在一定范圍內，必須穩(wěn)定的控制算法實現(xiàn)運動過程中的精確同步協(xié)調控制。

另外，在協(xié)作搬移過程中，由于存在AGV之間的定位遮擋問題，因此需要設計輔助照明系統(tǒng)以及輔助定位系統(tǒng)，用于保證協(xié)作AGV之間位置信息的傳遞，實現(xiàn)精確行進路線和精確定位。

整體AGV的搬運協(xié)作流程圖如圖9所示。

圖9 AGV協(xié)作決策流程圖

對于協(xié)作搬運中的單個AGV姿態(tài)調整則主要通過交叉耦合控制方法，通過姿態(tài)優(yōu)先的調整策略，實現(xiàn)對AGV的全方位移動方式的準確控制。具體實現(xiàn)示意圖如圖10所示。

2）多技術智能體協(xié)同導引

多臺AGV進行協(xié)同運動，主要采取主從控制方法。當前AGV小車將通過系統(tǒng)下發(fā)指令獲知協(xié)作指令消息以及主從特性，并得到本次協(xié)作設備組的信息，包括主設備名稱、從設備名稱，集合地點等。

主從AGV設備到達集合地點后，主AGV將對從AGV設備啟動協(xié)調控制指令。從設備間將通過定位信息以及算法獲得主AGV的具體位置，并根據(jù)輔助信息完成多臺AGV的協(xié)作運動控制。

圖10 協(xié)作AGV運動控制方法

圖11 多AGV協(xié)作處理定位方法

3 結束語

通過建立各向異性全方位輪模型，實現(xiàn)AGV的全方位自由移動，通過激光與視覺識別定位等多導引技術結合，實現(xiàn)準確定位，通過基于交叉耦合的多AGV同步協(xié)調運動控制方法，實現(xiàn)多AGV移載裝備的合作搬運功能，在多智能體協(xié)同導引方面取得成功，可極大提高數(shù)字化裝配操作的準確度和快速性，提升大型物件裝運的整體效率。

[1]S.Takakuwa,Nagoya University.Efficient module-based modeling for a large-scale as/rs-agv systemISBN:0-7803-3383-7.

[2]葉菁.磁導式AGV控制系統(tǒng)設計與研究[J].武漢:武漢理工大學,2006.

[3]張智勇,等.AGV整體集成系統(tǒng)結構設計[J].物流技術,2004(4).