飛機(jī)數(shù)字化裝配中IGPS導(dǎo)航的AGV路徑規(guī)劃方法

（1.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024； 2.數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

AGV（Automatic Guided Vehicle）是一種輪式移動(dòng)機(jī)器人[1]，前些年被廣泛用于自動(dòng)化倉庫中的物料運(yùn)輸以及電子工業(yè)、辦公自動(dòng)化等行業(yè)[2]。隨著導(dǎo)航技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)的發(fā)展，航空制造產(chǎn)業(yè)迅速轉(zhuǎn)型升級，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、協(xié)調(diào)合作為目標(biāo)的智能工廠及智能制造成為今后制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。AGV作為一種全向智能移動(dòng)平臺，為智能工廠的精益配送、智能物流提供了有效的解決方案[3]。

IGPS導(dǎo)航的AGV的作用

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人已在汽車行業(yè)大量應(yīng)用，具有靈巧柔性好、機(jī)動(dòng)性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。而精度、剛度和負(fù)載的不足，使得其在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用方面長期受到限制[4]。隨著數(shù)字化技術(shù)、機(jī)器人末端執(zhí)行器技術(shù)以及視覺測量技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)能夠滿足飛機(jī)制孔裝配需求。在航空產(chǎn)品裝配中，工業(yè)機(jī)器人面對大型部件裝配時(shí)，如長達(dá)幾十米的機(jī)翼盒段進(jìn)行雙面制孔、锪窩，工業(yè)機(jī)器人需要在事先規(guī)劃好的站位上定位，然后對本站位涉及的加工區(qū)域進(jìn)行制孔和锪窩。工業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)借助移動(dòng)機(jī)器人AGV，工業(yè)機(jī)器人與移動(dòng)機(jī)器人組成復(fù)合式機(jī)器人。

移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式很多，主要分為磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、基于傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)航GPS導(dǎo)航、IGPS導(dǎo)航、光電編碼器導(dǎo)航、無線射頻識別導(dǎo)航等[5]。在機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，采用基于IGPS(Indoor Global Position Syatem)的導(dǎo)航方式，這種導(dǎo)航方式使復(fù)合式機(jī)器人在進(jìn)行飛機(jī)產(chǎn)品裝配時(shí)，可以到達(dá)IGPS測量場內(nèi)任意位置進(jìn)行裝配作業(yè)，從而大大增加工業(yè)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，與將工業(yè)機(jī)器人置于直線導(dǎo)軌移動(dòng)平臺上的方案相比，更具靈活性、自主性，而且不占用空間、可適應(yīng)不同型號規(guī)格的航空產(chǎn)品。

IGPS導(dǎo)航的復(fù)合式機(jī)器人作為一種靈巧、高柔性和較低成本的自動(dòng)化裝備，還克服了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的不足，集成應(yīng)用于飛機(jī)自動(dòng)化柔性裝配系統(tǒng)中，能適應(yīng)多種復(fù)雜裝配環(huán)節(jié)的工作，可以更加快速、準(zhǔn)確地移動(dòng)、定位、調(diào)整和作業(yè)[4]。

圖1 復(fù)合式機(jī)器人Fig.1 Compound robot

AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成概述

AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要由IGPS（室內(nèi)空間定位系統(tǒng)）、AGV（自動(dòng)引導(dǎo)小車）、集成控制臺3部分組成，單元之間的物理/數(shù)據(jù)接口關(guān)系如圖2所示。

服務(wù)于飛機(jī)裝配作業(yè)的AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)，其AGV上固定安裝了工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人末端裝有末端執(zhí)行器；IGPS是由激光發(fā)射站、接收器以及信號處理器組成，其中激光發(fā)射器安裝在工廠裝配作業(yè)區(qū)四周的墻面上及工裝上，接收器安裝在AGV小車的4角支腿電動(dòng)缸上方，信號處理器安裝在AGV車體內(nèi)，構(gòu)建出覆蓋機(jī)器人裝配作業(yè)空間范圍的測量控制場，如圖3所示。

圖2 自主導(dǎo)航系統(tǒng)單元之間的物理/數(shù)據(jù)接口關(guān)系Fig.2 Physical/data interface diagram between cells in the autonomous navigation system

圖3 AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.3 AGV autonomous navigation system

AGV小車自主導(dǎo)航方式

在飛機(jī)裝配中，由于飛機(jī)產(chǎn)品尺寸大、雙面加工等特點(diǎn)，AGV需要按裝配工藝要求依次把工業(yè)機(jī)器人送到多個(gè)工作站位上進(jìn)行裝配作業(yè)。AGV可由車庫或任意停留位置，在IGPS的導(dǎo)航下到達(dá)指定工作站位，AGV定位后，其搭載的工業(yè)機(jī)器人開始制孔，工業(yè)機(jī)器人完成該站位制孔作業(yè)后，AGV再由IGPS導(dǎo)航到下一工作站位，進(jìn)行下一個(gè)工作區(qū)域的制孔裝配作業(yè)。

這種裝配方案運(yùn)用了IGPS數(shù)字化測量技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)以及AGV定位技術(shù)，柔性裝配系統(tǒng)通過AGV路徑規(guī)劃軟件將IGPS測量系統(tǒng)、AGV控制系統(tǒng)與虛擬裝配環(huán)境下的AGV可視化仿真檢查緊密結(jié)合在一起。

工廠布局是在虛擬環(huán)境中按實(shí)際廠房空間尺寸進(jìn)行裝配工裝、產(chǎn)品、設(shè)備的布局規(guī)劃，以裝配作業(yè)區(qū)占用面積最小、裝配效率最高為原則。因此，工廠裝配作業(yè)區(qū)布局十分緊湊。在裝配現(xiàn)場，還有一些必要的貨架、工具柜等固定物品，虛擬環(huán)境中的工廠布局是一個(gè)全局裝配信息已知的布局[6]。為實(shí)現(xiàn)AGV的數(shù)字化自主導(dǎo)航，AGV的高效性和安全性主要依靠路徑規(guī)劃。另外，AGV車體前、后安裝的激光安全掃描儀以及觸邊傳感器作為AGV的底層保護(hù)措施。

在AGV的工作站位規(guī)劃時(shí)，需要在虛擬裝配環(huán)境中根據(jù)裝有末端執(zhí)行器的工業(yè)機(jī)器人以較好的加工姿態(tài)、所涉及的加工范圍來確定，通過計(jì)算并仿真得到各軸運(yùn)動(dòng)范圍形成的包絡(luò)工作空間，同時(shí)也確定了飛機(jī)產(chǎn)品的相應(yīng)加工區(qū)域，如圖4所示。由于機(jī)翼翼盒裝配需要雙面加工，AGV必須經(jīng)歷一次180°轉(zhuǎn)向，但工廠布局面積已合理縮小到極致，為了AGV的高效和安全，提前在虛擬環(huán)境中規(guī)劃出AGV轉(zhuǎn)向站位。

AGV自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施自主導(dǎo)航時(shí)的控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖5所示。首先是IGPS向集成控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送AGV小車的位姿測量數(shù)據(jù)，AGV路徑仿真規(guī)劃軟件通過集成控制系統(tǒng)獲得AGV在真實(shí)裝配現(xiàn)場的位姿；然后在虛擬環(huán)境中將這一實(shí)測位姿作為AGV起始位姿，并按照飛機(jī)產(chǎn)品裝配工藝要求來規(guī)劃AGV行駛路徑，經(jīng)過干涉檢查，為AGV自主導(dǎo)航提供AGV從起始位姿到達(dá)目標(biāo)位姿過程中(一系列姿態(tài)有變化時(shí))的位姿數(shù)據(jù)文件，發(fā)送至AGV控制系統(tǒng)，系統(tǒng)按一定測試周期實(shí)時(shí)接收IGPS的掃描信號并解算AGV實(shí)際位姿，對AGV實(shí)際位姿與規(guī)劃執(zhí)行位姿比對，控制AGV的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配中的AGV無干涉自主導(dǎo)航。

圖4 虛擬環(huán)境中AGV站位分區(qū)Fig.4 AGV stations partition in virtual environment

圖5 自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程Fig.5 Data flow of autonomous navigation control system

AGV路徑規(guī)劃仿真軟件研制

路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人研究中的一項(xiàng)重要技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃定義為:在一個(gè)工作空間有限并有障礙物的工作環(huán)境中,如何尋找一條從當(dāng)前起點(diǎn)到終點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)路徑,使移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中能安全、無碰撞地避開所有障礙物[2]，快速到達(dá)終點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者對路徑規(guī)劃做了許多研究。Qiu等[7]綜述了整個(gè)路徑規(guī)劃和調(diào)度的算法；劉國棟[8]針對多AGV調(diào)度系統(tǒng)提出了一種兩階段動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃策略；Chang等[9]提出一種基于Dijkstra 的最短路徑算法；Fisher[10]等提出利用拉格朗日松弛啟發(fā)式算法來解決基于時(shí)間窗的路徑規(guī)劃問題。這些學(xué)者的路徑規(guī)劃方法都是基于電磁或光學(xué)自動(dòng)導(dǎo)向裝置的理論研究，本文以飛機(jī)裝配系統(tǒng)中AGV小車的IGPS導(dǎo)航方式為基礎(chǔ)，開發(fā)AGV路徑規(guī)劃仿真軟件，在虛擬環(huán)境中路徑規(guī)劃并進(jìn)行碰撞干涉檢查，生成AGV的控制指令文件。

AGV路徑規(guī)劃仿真軟件利用設(shè)計(jì)給出的飛機(jī)產(chǎn)品裝配已知3D數(shù)模，包括飛機(jī)產(chǎn)品、AGV、工業(yè)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、工裝、卡板，再添加上廠房實(shí)際空間尺寸以及小車行駛路徑周邊的貨架、墻壁、地面等，建立一個(gè)與AGV工作現(xiàn)場一致的虛擬環(huán)境，如圖3所示。通過測量標(biāo)定技術(shù)，讓現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系與虛擬裝配坐標(biāo)系一致，現(xiàn)場AGV坐標(biāo)系則取標(biāo)定的工業(yè)機(jī)器人基座標(biāo)系，與虛擬環(huán)境中AGV坐標(biāo)系一致，這樣虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境就一模一樣了。AGV上4個(gè)IGPS接收器接收的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，通過車體位姿計(jì)算算法，計(jì)算出AGV在現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系中的位姿，并將此位姿通過集成控制系統(tǒng)傳遞給AGV路徑規(guī)劃仿真軟件，作為虛擬環(huán)境中路徑規(guī)劃起始位姿，IGPS測量的AGV位姿與虛擬環(huán)境中AGV的位姿均以位置和姿態(tài)來表示，其中：

姿態(tài)是1個(gè)3×3的矩陣，在路徑規(guī)劃仿真軟件界面顯示時(shí)，為了簡易直觀地顯示AGV姿態(tài)，將3×3的矩陣轉(zhuǎn)化為偏轉(zhuǎn)角度、俯仰角度、滾轉(zhuǎn)角度來表示，因此 [X，Y，Z]、[α，β，γ]成為AGV的位姿顯示方式，這與CATIA軟件顯示零件位姿方式一致。但當(dāng)路徑規(guī)劃仿真軟件中AGV位姿變化調(diào)整時(shí)，參與計(jì)算的位姿其仍是來自于虛擬環(huán)境的3×3的矩陣。

路徑規(guī)劃完成存儲(chǔ)路徑文件時(shí)，由于AGV位移控制只對車體在（地）平面坐標(biāo)系O、X、Y的位置及航向發(fā)出控制指令，不考慮Z軸方向的坐標(biāo)值及相應(yīng)的俯仰、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。因此，存儲(chǔ)路徑文件時(shí)，只取AGV位姿的X、Y值和偏轉(zhuǎn)角度γ作為AGV的位姿數(shù)據(jù)表達(dá)。AGV自主導(dǎo)航時(shí)，AGV位移控制器執(zhí)行一組規(guī)劃好的有序的站位作為位移控制指令如圖6所示。

在實(shí)際飛機(jī)裝配作業(yè)中，AGV的起始位姿是AGV在實(shí)際裝配現(xiàn)場的位姿，AGV可能停留在車庫、加工工作站位以及測量場內(nèi)任意一個(gè)位置，需要提取IGPS實(shí)時(shí)測量值，應(yīng)用本軟件進(jìn)行路徑規(guī)劃及仿真，將規(guī)劃好的路徑位移指令發(fā)送給AGV控制器，結(jié)合實(shí)時(shí)IGPS測量值，引導(dǎo)AGV進(jìn)入規(guī)劃的工作站位，完成該站位裝配作業(yè)后，規(guī)劃下一段路徑，進(jìn)入下一工作站位進(jìn)行裝配作業(yè)，直至完成所有工作站位的裝配作業(yè)。飛機(jī)產(chǎn)品裝配中復(fù)合式機(jī)器人的工作流程如圖7所示。

AGV路徑規(guī)劃仿真軟件流程如圖8所示。

1 虛擬環(huán)境及軟件開發(fā)平臺的建立

以飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件CATIA作為虛擬仿真環(huán)境及軟件開發(fā)平臺，通過CATIA二次開發(fā)工具CATIA V5 Automation API以及VB進(jìn)行軟件開發(fā)。

圖6 AGV路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)文件Fig.6 AGV path planning data file

圖7 飛機(jī)產(chǎn)品裝配中復(fù)合式機(jī)器人的工作流程Fig.7 Working process of compound robot in aircraft product assembly

2 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件界面設(shè)計(jì)

AGV路徑規(guī)劃仿真軟件是在與現(xiàn)實(shí)全局裝配信息一致的虛擬環(huán)境中獲取現(xiàn)實(shí)AGV的初始位姿，根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝要求規(guī)劃AGV行駛路徑并進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉仿真檢查的軟件，為AGV自主導(dǎo)航提供AGV移動(dòng)位姿數(shù)據(jù)文件。該軟件可實(shí)時(shí)獲得并顯示IGPS測量的AGV實(shí)際位姿，即使是多個(gè)AGV在工廠實(shí)施裝配或運(yùn)輸作業(yè)，它也可規(guī)劃、分析和判斷各個(gè)AGV的最優(yōu)路徑，防止碰撞，提高效率。這種方法不僅改變了傳統(tǒng)的AGV人工遙控控制模式，而且實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)數(shù)字化裝配中AGV的數(shù)字化自主導(dǎo)航。

根據(jù)AGV路徑規(guī)劃的目的，軟件界面設(shè)計(jì)分為5個(gè)功能區(qū)，分別是：①AGV位姿顯示區(qū)；②AGV位姿調(diào)整區(qū)；③AGV站位提示區(qū)；④AGV路徑規(guī)劃區(qū)；⑤IGPS測量按鈕；⑥AGV路徑仿真檢查及存儲(chǔ)區(qū)，如圖9所示。

AGV位姿顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示虛擬環(huán)境中 AGV 的位姿 [X，Y，Z]、[α，β，γ]，其中Z、α、β的編輯框置為灰色，提示用戶主要關(guān)注(X值、Y值以及偏轉(zhuǎn)角γ)。AGV位姿調(diào)整區(qū)是仿照CATIA羅盤調(diào)姿方法設(shè)計(jì)，用戶可輸入平移增量和旋轉(zhuǎn)增量，對虛擬環(huán)境中的AGV位姿進(jìn)行自由調(diào)整。

AGV站位提示區(qū)有1張作業(yè)現(xiàn)場俯視圖，圖面上設(shè)有若干圖示按鈕，包括獲取IGPS實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)按鈕、4個(gè)工作站位按鈕(①②③④)、7個(gè)輔助參考站位按鈕(R1、R2、…、R7),其中R4、R5為轉(zhuǎn)向區(qū)輔助按鈕，點(diǎn)擊按鈕時(shí)，虛擬環(huán)境中AGV的位姿會(huì)依照設(shè)置好的位姿置位，與操作界面圖示完全一致。

當(dāng)確定虛擬環(huán)境中AGV的位姿需要加入路徑規(guī)劃中時(shí)，點(diǎn)擊界面上AGV路徑仿真檢查及存儲(chǔ)區(qū)的“添加姿態(tài)”按鈕，虛擬環(huán)境中AGV的位姿值被添加至ListView表中，每一個(gè)AGV站位既可通過操作界面按鈕選擇置位，也可通過姿態(tài)調(diào)整區(qū)手動(dòng)輸入調(diào)整增量后置位，或者在CATIA虛擬環(huán)境中通過羅盤對AGV置位，不管哪種方式，每一次添加到ListView表中的AGV位姿都是當(dāng)時(shí)AGV在CATIA虛擬環(huán)境中的位姿，添加多個(gè)AGV位姿后就形成了路徑，如圖10所示。ListView表中每1行表示1個(gè)站位，每個(gè)站位以AGV在虛擬環(huán)境中的位姿 [X，Y，Z]、[α，β，γ]表示，操作界面中當(dāng)雙擊該行時(shí)，虛擬環(huán)境中的AGV自動(dòng)到達(dá)該站位，這也是手動(dòng)檢查站位及順序的方法。

用戶在對規(guī)劃的路徑進(jìn)行檢查時(shí)，可通過點(diǎn)擊界面上“自動(dòng)顯示按鈕”，將虛擬環(huán)境中的AGV按ListView表中規(guī)劃的一系列站位依次自動(dòng)顯示，如圖11所示。AGV高亮，這是自動(dòng)檢查站位的方法。AGV路徑檢查及存儲(chǔ)區(qū)的“存路徑”按鈕可將ListView表中規(guī)劃的路徑以圖6的文件格式存儲(chǔ)，同時(shí)在CATIA虛擬環(huán)境中生成跟蹤(運(yùn)動(dòng)軌跡)，執(zhí)行CATIA跟蹤，可實(shí)現(xiàn)虛擬裝配環(huán)境中的AGV運(yùn)動(dòng)仿真，利用CATIA碰撞檢查功能可進(jìn)行AGV在規(guī)劃路徑上行駛過程中的動(dòng)態(tài)干涉檢查，路徑順序及干涉檢查均完成的路徑即為安全路徑。

圖8 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件流程Fig.8 Flow chart of AGV path planning simulation software

3 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件位姿調(diào)整算法

AGV路徑規(guī)劃仿真軟件主要功能包括CATIA產(chǎn)品位姿設(shè)定及顯示、位姿調(diào)整、路徑規(guī)劃、路徑自動(dòng)檢查、路徑規(guī)劃文件及運(yùn)動(dòng)軌跡生成等，本文主要介紹AGV位姿調(diào)整及位姿顯示的算法。

在CATIA平臺上二次開發(fā)時(shí)，CATIA虛擬環(huán)境中獲取的AGV位姿以1維數(shù)組表示，假設(shè)獲取的AGV現(xiàn)有位姿為iAxisArray(11)，其矩陣A應(yīng)為：

考慮到AGV位移控制只對車體在（地）平面坐標(biāo)系O、X、Y的位置及航向發(fā)出控制指令，不考慮AGV的Z軸方向的坐標(biāo)值及相應(yīng)的俯仰、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。當(dāng)用戶在操作界面上讓AGV小車在X、Y方向平移或繞Z軸旋轉(zhuǎn)θ(°)(偏航角)，則坐標(biāo)變換矩陣R分別為（1）、（2）和（3）：

得到AGV調(diào)整后的位姿C：

AGV位姿在軟件界面上以[X，Y，Z]、[α，β，γ]表示時(shí) ,位姿C即為：

其中，α為偏航角、β為俯仰角、γ橫為滾角。

由式（5）得出AGV的姿態(tài)角：

圖9 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件界面Fig9 Interface of AGV path planning simulation software

圖10 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件路徑規(guī)劃區(qū)Fig.10 Path planning area of AGV path planning simulation software

圖11 AGV路徑規(guī)劃仿真軟件自動(dòng)路徑檢查中Fig11 Path automatic checking in AGV path planning simulation software

結(jié)論

本文提出了一種飛機(jī)數(shù)字化裝配中IGPS導(dǎo)航的AGV路徑規(guī)劃軟件實(shí)現(xiàn)方法，它不同于磁導(dǎo)航[11]、慣性導(dǎo)航[12]、路標(biāo)導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航[13]，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行路徑規(guī)劃與仿真，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配中的AGV無干涉自主導(dǎo)航。該技術(shù)已在大型飛機(jī)裝配技術(shù)研究中得到驗(yàn)證。

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