基于射頻識別技術(shù)的智能引導(dǎo)運輸車設(shè)計

徐立坤 柳晨陽 李瑞霞

摘要：隨著物流業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代倉庫物流越來越趨于智能化，智能引導(dǎo)運輸車——AGV的出現(xiàn)，加速了現(xiàn)代倉庫管理自動化的進程.AGV的使用可以讓運輸車在無人駕駛的情況下自動避開障礙物，自動將貨物運送至指定地點.但現(xiàn)有的AGV技術(shù)裝配使用了電磁或者光電等作為自動引導(dǎo)裝置，使得運輸車只能夠沿著規(guī)定的軌道行駛，機動性能不強.為了解決這一問題，讓運輸車在倉庫中更加自由的規(guī)劃路線，提高物流效率，現(xiàn)將射頻識別技術(shù)應(yīng)用在倉庫地板下，使得運輸車在倉庫內(nèi)實現(xiàn)自主定位以及自主規(guī)劃路徑的能力.

關(guān)鍵詞：物流業(yè);智能引導(dǎo)運輸車;射頻識別技術(shù)

中圖分類號：TP23;TP391.4? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0104-04

0 引言

智能引導(dǎo)運輸車的英文縮寫為AGV（Automated Guided Vehicle），根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《物流術(shù)語中》對AGV的定義：裝有自動引導(dǎo)裝置的，能夠沿這既定路線行駛的，能在運輸車上編程的，安裝有剎車裝置的、安全保護裝置的以及各種貨物搬運載功能的運輸車輛[1].但現(xiàn)有的AGV技術(shù)裝配使用了電磁或者光電等作為自動引導(dǎo)裝置，使得運輸車只能夠沿著規(guī)定的軌道行駛，機動性能不強.例如現(xiàn)有的AGV小車工作的路線上需要預(yù)先鋪設(shè)有磁條，車載控制系統(tǒng)通過磁傳感器接受到的信號控制AGV小車沿著預(yù)先鋪設(shè)的磁條路線行駛[2].這種使用磁導(dǎo)航引導(dǎo)的運輸車，只能在既定的磁軌道上行駛，而不能自由的規(guī)劃路徑[3].為了解決這一問題，能讓運輸車在倉庫中更加自由的規(guī)劃路線，提高物流效率，現(xiàn)將射頻識別技術(shù)應(yīng)用在倉庫地板下，使得運輸車在倉庫內(nèi)實現(xiàn)自主定位以及自主規(guī)劃路徑的能力.隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多種新型的室內(nèi)定位技術(shù)得到廣泛的研究和應(yīng)用，其中包括藍牙定位、Wi-Fi定位、UWB超寬帶定位技術(shù)等.研究自動化的倉庫內(nèi)的室內(nèi)定位技術(shù)，可以使得運輸車在倉庫內(nèi)更加自由的規(guī)劃線路，對提高倉庫內(nèi)運輸作業(yè)小車的工作效率有大大幫助.

1 射頻識別定位系統(tǒng)

1.1 射頻識別定位系統(tǒng)工作原理

射頻定位系統(tǒng)由方向定位器、接收天線、射頻識別標(biāo)簽等組成.接收天線通過發(fā)射一定頻率的射頻信號，到射頻識別標(biāo)簽進入接收天線接收區(qū)域是將產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時射頻識別標(biāo)簽獲得能量，射頻識別標(biāo)簽將自身的位置編碼信息發(fā)射出去，由接收天線接收并傳送到解碼器進行相關(guān)的信號處理[4].處理器依據(jù)編碼即可匹配到當(dāng)前的位置信息，以完成定位工作.

1.2 射頻識別定位系統(tǒng)簡介

由于射頻識別是非接觸性質(zhì)的識別，所以不會帶來誤差的干擾.射頻識別定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.射頻識別標(biāo)簽布局如圖2所示.

射頻識別定位系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高、抗干擾能力強、成本較低.其缺點是精度由標(biāo)簽密度決定，若想獲得高精度定位，標(biāo)簽鋪設(shè)就得更加密集;由于標(biāo)簽鋪設(shè)在地板下面，后期維護較為耗時，維護成本較高等.隨著日后的應(yīng)用，其軟件算法部分可以彌補部分的不足，代碼將會不斷優(yōu)化更新，整套系統(tǒng)也將運行的越來越成熟可靠，維護成本也將進一步降低.

2 智能引導(dǎo)運輸車總體結(jié)構(gòu)

智能引導(dǎo)運輸車的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，底部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要部分由貨架托、天線組、電池組、電機、輪子、避障傳感器、控制器等構(gòu)成.

本運輸車采用四輪設(shè)計，四輪均可以獨立控制，以實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)向、后退等操作.天線組采用四天線設(shè)計.天線1用來定位前方位置，天線2用來定位左方位置，天線3用來定位右方位置，天線4用來定位中心位置，采用四天線設(shè)計可大大降低錯誤率，提高定位精度.

運輸車主要用來搬運貨架，貨架托能夠升起以抬升貨架，整套設(shè)備使用電機驅(qū)動，電池組提供能源保障.貨架托不用時可以縮回運輸車內(nèi)部，由于運輸車高度低，可以進去貨架下面，到達貨架下下面時，貨架托升起，托起貨架，運輸車托著貨架移動，起到搬運的效果.

運輸車直接和后臺服務(wù)器相連，由后臺服務(wù)器統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一發(fā)送路徑指令.移動、搬運等操作都可以認為干預(yù)，增強了運輸車的機動性能.

3 智能引導(dǎo)運輸車軟件系統(tǒng)設(shè)計

本套智能引導(dǎo)運輸車系統(tǒng)具有兩種控制方式，一種是根據(jù)標(biāo)簽定位的自動路徑規(guī)劃控制方式;另一種為人工干預(yù)的手動路徑規(guī)劃控制方式.人工干預(yù)模式下，操作員只需使用遙控器或者后臺服務(wù)器遠程遙控運輸車.操作員可以手動控制運輸車前進、后退、轉(zhuǎn)向、控制貨架托的上升、下降等操作.人工干預(yù)模式下不需要編程操作，只需要電路設(shè)計.

自動路徑規(guī)劃模式下，運輸車負責(zé)收集標(biāo)簽位置信息，判斷工作狀態(tài).運輸車將收集到的位置信息傳輸至后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器統(tǒng)一規(guī)劃路徑，可防止相撞事故發(fā)生.自動路徑規(guī)劃模式下需要編寫算法，包括自動糾偏程序、貨架托升降程序、防撞程序、自動路徑規(guī)劃程序等.

軟件系統(tǒng)如圖5所示.

3.1 自動糾偏程序設(shè)計

自動糾偏程序設(shè)計流程是當(dāng)運輸車開機時，根據(jù)天線4所采集到的中心位置定位當(dāng)前所處的位置信息.運輸車將中心位置上傳至服務(wù)器，報告自己所處的位置.當(dāng)AGV開機后，控制系統(tǒng)實時檢測標(biāo)簽的位置信息，通過四組天線探測的標(biāo)簽狀態(tài)分析，判斷當(dāng)前運輸車是否處于工作區(qū)域和判斷姿態(tài)是否正確，之后自行配對路徑.具體方法是，若四組天線均接收到了標(biāo)簽的位置信息，則判斷沒有偏離工作區(qū)域，并且姿態(tài)正確;若四組天線只有一個或兩個接收到了標(biāo)簽的位置信息，則判斷可能偏離工作區(qū)域或姿態(tài)錯誤，此時，運輸車在原地旋轉(zhuǎn)直到四組天線均接收到了標(biāo)簽的位置信息，若旋轉(zhuǎn)一周后仍不能完全匹配上標(biāo)簽則向服務(wù)器發(fā)送告警信息，由操作員人工確認[5].剛開機時有兩種工作狀態(tài)，一是就位狀態(tài)（當(dāng)日首次開機），二是工作狀態(tài)（臨時斷電重啟）.就位狀態(tài)：當(dāng)日首次開機，運輸車將自己的位置旋轉(zhuǎn)正，服務(wù)器向運輸車規(guī)劃返回工位路徑，運輸車通過天線1、天線2、天線3確定自己的方向信息，順著路徑返回工位.工作狀態(tài)：當(dāng)遇到突發(fā)事件，如發(fā)生碰撞、失去與服務(wù)器連接、定位失敗等，運輸車需要斷電重啟，開機后運輸車首先將自己的位置旋轉(zhuǎn)正，之后服務(wù)器會讓運輸車?yán)^續(xù)完成未完成的工作，服務(wù)器向運輸車規(guī)劃目標(biāo)貨架路徑，運輸車通過天線1、天線2、天線3確定自己的方向信息，順著路徑到達目標(biāo)貨架，完成規(guī)定任務(wù).

3.2 防碰撞程序

運輸車在工作或行駛的過程中，服務(wù)器規(guī)劃的路徑可能會出現(xiàn)障礙物例如掉落的貨物或突發(fā)的動態(tài)障礙物如操作員的走動等，這就要求AGV需要具備一定的障礙物感知能力以實現(xiàn)防碰撞和障礙物規(guī)避，主動向服務(wù)器發(fā)送請求，立即規(guī)劃出一條規(guī)避線路，此防碰撞程序優(yōu)先級較高，在人工干預(yù)模式下也自動運行[6].

如圖6所示，這是三通道的超聲波探測模塊的配置圖，每組模塊間均有30度的重疊部分.

超聲波探測器安裝在運輸車車體上，探測范圍0.1m-0.5m，波束角度為60度.每組傳感器均能在這60度的探測范圍內(nèi)獲取障礙物的位置信息.這三組傳感器每組均有30度角度的交叉重疊范圍，于是，同一個障礙物可能被探測器1和探測器2同時探測到.若探測器1和探測器2同時檢測到障礙物，則視為該障礙物有威脅，運輸車此時將立即停車并向服務(wù)器報告現(xiàn)在的位置.若此障礙物不是路過的正在工作的運輸車，即未發(fā)生接近事件，此運輸車原地順時針旋轉(zhuǎn)90度，再次探測障礙物信息，若仍有障礙物則逆時針旋轉(zhuǎn)180度，當(dāng)沒有障礙物時，向服務(wù)器發(fā)送方向信息，由服務(wù)器重新規(guī)劃路線[7].

3.3 路徑規(guī)劃程序

整套路徑規(guī)劃完全在服務(wù)器端實現(xiàn)，由服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前倉庫中所有貨架以及所有運輸車的位置規(guī)劃出一條沒有障礙物的路線.具體的規(guī)劃方法如圖7所示.

從1號位到8號位的整套路徑為：天線1識別到2則向前進1——確認天線4識別到2——天線1識別到3則向前進1——確認天線4識別到3——天線1識別到4則向前進1——確認天線4識別到4——天線1識別到5則向前進1——確認天線4識別到5——天線2識別到6則逆時針旋轉(zhuǎn)90度——確認天線4識別到5天線2識別到4天線1識別到6——天線1識別到6向前進1——確認天線4識別到6——天線1識別到7則向前進1——確認天線4識別到7——天線1識別到8則向前進1——確認天線4識別到8.此時已經(jīng)走完整套路徑.若其中某一步由于種種原因偏離了既定的路徑，則執(zhí)行自動糾偏程序.

針對多AGV小車一起工作時會產(chǎn)生相互接近的沖突事件，當(dāng)接近事件發(fā)生時，需要決定哪輛運輸車優(yōu)先通過，這樣會影響工作效率.此時需要引入通過優(yōu)先級，優(yōu)先級的排布方法如下：

（1）分別計算出每輛運輸車與其它運輸車經(jīng)過相同標(biāo)簽的個數(shù)和發(fā)生接近事件的次數(shù);

（2）比較每輛運輸車與其它運輸車發(fā)生接近事件的次數(shù)，將發(fā)生接近事件最多的運輸車設(shè)置為最低優(yōu)先級，而將發(fā)生接近事件最少的運輸車設(shè)置為最高優(yōu)先級;

（3）若出現(xiàn)多輛運輸車發(fā)生接近事件的次數(shù)相同，則比較這些運輸車與其他運輸車經(jīng)過相同標(biāo)簽的個數(shù)，將經(jīng)過相同標(biāo)簽個數(shù)最多的運輸車設(shè)置為最高優(yōu)先級;

（4）以此類推，對之后的運輸車設(shè)置優(yōu)先級.

在（2）中，降低發(fā)生接近事件最多的運輸車的優(yōu)先級，可以讓其余運輸車更加順暢的行駛，進而提高了運輸效率.在（3）中，提高通過相同標(biāo)簽數(shù)最多的運輸車的優(yōu)先級，可以降低因延時而使通過相同標(biāo)簽衍化成接近事件的概率，進而減少了接近事件的發(fā)生[8].

3.4 貨架托升降程序

貨架托的作用是托起貨架，帶著貨架一起移動，起到搬運貨架的目的.當(dāng)運輸車停在貨架下方時，貨架托升起，將貨架脫離地面.此時，運輸車向服務(wù)器發(fā)送請求命令，等待服務(wù)器下發(fā)下一步路徑規(guī)劃命令.

4 結(jié)束語

本文通過射頻識別技術(shù)給AGV運輸車提供了另一種引導(dǎo)方式.研究分析了運輸車的軟件系統(tǒng)，根據(jù)射頻識別標(biāo)簽精確定位的方式，以及位置引導(dǎo)方式.根據(jù)天線組判斷運輸車的方向，通過自動糾偏程序調(diào)整運輸車的姿態(tài).本文重點分析了路徑規(guī)劃的方式.通過進一步的相關(guān)實驗，本文所述的軟件系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性.

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