基于室內(nèi)GPS的AGV導(dǎo)航技術(shù)研究及應(yīng)用*

（航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850）

近年來我國航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，新機(jī)型研制周期越來越短，軍民各型飛機(jī)的生產(chǎn)訂單快速增長，產(chǎn)品需求日趨多樣化，傳統(tǒng)的固定站位生產(chǎn)模式存在裝配效率低、生產(chǎn)現(xiàn)場混亂、質(zhì)量難保證、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長、占地面積大等問題，已不適應(yīng)新機(jī)型的研制需求，國內(nèi)外各主機(jī)廠大力發(fā)展柔性生產(chǎn)線技術(shù)，以此提高了裝配效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，縮短飛機(jī)研制周期。脈動生產(chǎn)模式相對于連續(xù)移動生產(chǎn)模式具有生產(chǎn)柔性更高、產(chǎn)線運(yùn)行更平穩(wěn)、任務(wù)劃分更合理等優(yōu)勢，在飛機(jī)制造領(lǐng)域得到較好應(yīng)用。AGV 作為脈動生產(chǎn)線重要的運(yùn)輸設(shè)備，能夠應(yīng)對多變的生產(chǎn)需求和復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，適應(yīng)飛機(jī)多品種、變批量和差異化生產(chǎn)特點，可有效提高脈動生產(chǎn)線的物流運(yùn)輸效率。

AGV自動導(dǎo)引車以其高效、穩(wěn)定、安全的優(yōu)點，便于與車間MES 等總控系統(tǒng)集成，在汽車、航空航天、船舶重工，貨運(yùn)碼頭等諸多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，直接影響企業(yè)物流成本與核心競爭力，具有非常重要的現(xiàn)實意義。AGV 具有多種導(dǎo)引方式，主要分為磁導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和室內(nèi)GPS（Indoor Global Position System）導(dǎo)航等，每種方式都有各自的優(yōu)點和局限性。磁性導(dǎo)航分為磁條和磁釘兩種形式，其中磁條導(dǎo)航技術(shù)[1]出現(xiàn)較早，預(yù)先在地面上鋪設(shè)金屬絲或磁性材料，技術(shù)成熟度高、成本相對較低，但路徑固定，不便于線路擴(kuò)展，且易于損壞；磁釘導(dǎo)航[2]在地面以下安裝磁釘，磁釘采用矩陣布置方式，運(yùn)輸路徑易于擴(kuò)展，壽命長，適用于環(huán)境惡劣場合，典型案例如上海洋山保稅港四期自動化碼頭將智能化無人運(yùn)輸碼頭，但磁釘安裝成本高。慣性導(dǎo)航[3–4]技術(shù)利用加速度計和陀螺儀，使用方法簡便，不易受環(huán)境影響，短時導(dǎo)航精度高，但受加速度計和陀螺儀偏移以及積分運(yùn)算累積誤差影響，長距長航時導(dǎo)航精度低，一般與其他導(dǎo)航方式聯(lián)合使用。激光導(dǎo)航技術(shù)分為有反模式和無反模式，其中有反模式的反光標(biāo)識一般為白色圓柱形，結(jié)合激光發(fā)射器進(jìn)行定位；而無反模式[5–6]通過激光雷達(dá)掃描環(huán)境幾何特征。激光導(dǎo)航具有較高的定位精度，運(yùn)輸路線柔性可調(diào)，適用復(fù)雜路徑運(yùn)輸，但成本較高。視覺導(dǎo)航[7–8]一般在地面上粘貼色帶或二維碼，視覺傳感器采集數(shù)字圖像，通過車載計算機(jī)的圖像處理進(jìn)而實現(xiàn)路徑識別，具有路徑設(shè)置簡單、靈活，路徑變更成本低，不易受電磁干擾等優(yōu)點，但標(biāo)識易于損壞，日常維護(hù)成本高。飛機(jī)裝配現(xiàn)場以室內(nèi)GPS為代表的大尺寸測量技術(shù)獲得了較好應(yīng)用，室內(nèi)GPS能同時跟蹤多個目標(biāo)，測量范圍擴(kuò)展性好，蔣倩等[9]對基于室內(nèi)GPS的AGV 導(dǎo)航進(jìn)行了初步探討。

針對飛機(jī)脈動生產(chǎn)線物流運(yùn)輸需求，本文開展基于室內(nèi)GPS的AGV導(dǎo)航技術(shù)研究，以此適應(yīng)飛機(jī)裝配現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境，提高導(dǎo)航精度和效率，滿足飛機(jī)多品種、變批量和差異化運(yùn)輸需求，促進(jìn)生產(chǎn)線效率提升，增強(qiáng)飛機(jī)快速研制能力與核心競爭力。

定位導(dǎo)航技術(shù)

室內(nèi)GPS具有大尺寸、多任務(wù)、實時高精度、快速測量的優(yōu)點，可同時跟蹤多個測量目標(biāo)，適合為AGV提供精確引導(dǎo)信息?？紤]到飛機(jī)脈動生產(chǎn)線現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，通過AGV 與室內(nèi)GPS 測量技術(shù)集成，使AGV可以在廠房車間內(nèi)準(zhǔn)確定位，沿預(yù)先規(guī)劃的路徑準(zhǔn)確行走，實現(xiàn)飛機(jī)部件的自動精確引導(dǎo)運(yùn)輸。

1 導(dǎo)航測量場

自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，現(xiàn)場中控臺（主控單元）接收生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的任務(wù)信息，啟動AGV系統(tǒng)下發(fā)運(yùn)輸路徑及目的地位置，接收室內(nèi)GPS測量數(shù)據(jù)，通過姿態(tài)解算確定AGV車體實時位姿數(shù)據(jù)，并將實時定位信息發(fā)送給AGV 控制器用于運(yùn)動閉環(huán)控制，實現(xiàn)AGV的自主精確導(dǎo)航，如圖1所示。構(gòu)建室內(nèi)GPS導(dǎo)航測量控制場，包括室內(nèi)GPS基站布局優(yōu)化和整場聯(lián)合標(biāo)定。

室內(nèi)GPS基站布局優(yōu)化。根據(jù)生產(chǎn)線工藝布局以及物流運(yùn)輸需求，綜合考慮測量精度與成本，采用高低搭配、疏密結(jié)合的方式，確定室內(nèi)GPS基站數(shù)量和站位布局，如轉(zhuǎn)彎位置易遮擋、接泊區(qū)精度要求高等，宜采用基站密集布置方式，其他開敞性好的長距離運(yùn)輸區(qū)域采用稀疏布置。結(jié)合生產(chǎn)線布局?jǐn)?shù)字化模型，在虛擬環(huán)境下（如CATIA/DELMIA）以上述原則為基礎(chǔ)初步確定基站布局，然后通過可測量性分析，檢驗導(dǎo)航路徑及接泊位置是否存在遮擋及測量不便等問題，進(jìn)而調(diào)整室內(nèi)GPS站位布局，經(jīng)多次迭代優(yōu)化，確定最優(yōu)的室內(nèi)GPS基站布局方案。

圖1 室內(nèi)GPS的導(dǎo)航測量場Fig.1 Navigation field of indoor GPS

室內(nèi)GPS基站布局確定后，對整體測量場進(jìn)行聯(lián)合標(biāo)定，主要分為運(yùn)輸中途區(qū)和接駁區(qū)。運(yùn)輸中途區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)長度尺進(jìn)行標(biāo)定。與其他測量設(shè)備不同，室內(nèi)GPS 采用三角定位原理通過激光平面掃描確定角度，無法精確約束系統(tǒng)坐標(biāo)系尺度。為此，引入一維基準(zhǔn)尺構(gòu)成定長尺度約束，工作空間內(nèi)基準(zhǔn)尺不同方向布置進(jìn)行標(biāo)定，可有效提高坐標(biāo)系尺度約束精度及發(fā)射站全局定向精度，進(jìn)而提高導(dǎo)航坐標(biāo)測量精度。接泊區(qū)定位精度比運(yùn)輸中途區(qū)高，與裝配生產(chǎn)線尺度相比基準(zhǔn)尺長度小，對提高標(biāo)定時精度作用有限。所以，利用激光跟蹤儀測距精度高的優(yōu)點，基于USMN（Unified Spatial Metrology Network）技術(shù)[10–11]建立一個基于冗余長度約束的精度控制場，以單臺激光跟蹤儀通過空間多個站位獲取對全局控制點的冗余高精度長度約束，采用多站位閉合測量，通過不同權(quán)重分配，經(jīng)加權(quán)平差優(yōu)化處理，有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定精度，進(jìn)而保證接泊區(qū)AGV 定位精度。

2 車體姿態(tài)監(jiān)測

室內(nèi)GPS屬于三維測量，AGV在廠房地面運(yùn)動，為降低導(dǎo)航計算時間，提高系統(tǒng)響應(yīng)時效，AGV導(dǎo)航可簡化為剛體平面運(yùn)動問題，如圖2所示。AGV 車體自身坐標(biāo)系為O1X1Y1（位于車體中心），規(guī)定O1X1軸正方向為車頭指向，車頭寬度方向為O1Y1軸，廠房坐標(biāo)系為OXY。車體運(yùn)動具有3個自由度，分別為沿OX、OY軸的平動a、b，垂直地面的轉(zhuǎn)動θ，所以AGV 在廠房內(nèi)的位姿描述可表達(dá)為P(θ，a，b)。

描述剛體平面位姿的齊次變換矩陣：

其中，R為旋轉(zhuǎn)變換矩陣，采用歐拉角方法表示為：

T為平移轉(zhuǎn)換矩陣，表示為：

所以：

式（4）中含3個獨(dú)立元素，欲解式（4）需要2點坐標(biāo)，為減少測量誤差影響，一般測量點數(shù)大于2，利用最小二乘法求解。圖2中A、B、C、D為室內(nèi)GPS 接收器放置點，其在O1X1Y1坐標(biāo)系下有(x1A,y1A)、(x1B,y1B)、(x1C,y1C)、(x1D,y1D)，均為已知值，通過室內(nèi)GPS 測量出上述2點以上，求解AGV 在廠房內(nèi)位姿P(θ,a,b)。

3 AGV位姿控制

根據(jù)AGV 運(yùn)動軌跡規(guī)劃，將運(yùn)動軌跡劃分為直線段、轉(zhuǎn)彎段和接駁區(qū)。首先對各路徑進(jìn)行離散化處理，且為提高控制器運(yùn)算效率，采用直線插補(bǔ)運(yùn)動控制方式。考慮到直線段導(dǎo)航對路徑偏差要求不高，離散點采用稀疏方式；轉(zhuǎn)彎段適當(dāng)增加點密度提高路徑準(zhǔn)確性；接泊區(qū)定位精度要求高，同時為避免車體慣性引起的位置超調(diào)，加密點布置，并降低AGV 運(yùn)輸速度，通過多次校正提高車體定位精度。

導(dǎo)航過程中，車體的位姿誤差是實際位姿與理論位姿間的偏差，如式（5）所示：

為降低運(yùn)動控制難度，AGV 平面運(yùn)動的3個運(yùn)動偏差分可解為兩步完成，包括繞Z軸旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的直線平移，AGV 動態(tài)引導(dǎo)的原理如圖3所示。

圖2 AGV位姿定義Fig.2 Definition of position and orientation for AGV

圖3 AGV動態(tài)引導(dǎo)路徑修正Fig.3 Dynamic corrected route guidance for AGV

繞Z軸的旋轉(zhuǎn)θ，如圖3（a）所示，AGV 任意點運(yùn)動路徑為圓弧，根據(jù)工藝要求設(shè)定位置誤差±e，姿態(tài)調(diào)整過程中，當(dāng)發(fā)生超差（如A、B兩點），控制系統(tǒng)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)布指令，將路徑修正至正確位置。平面內(nèi)的直線運(yùn)動，如圖3（b）所示，根據(jù)工藝要求設(shè)定位置誤差±e，姿態(tài)調(diào)整過程中，當(dāng)發(fā)生超差（如C、D兩點），控制系統(tǒng)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)布指令，將路徑修正至正確位置。

由于AGV 各自由度具有獨(dú)立性，通過分解生成旋轉(zhuǎn)和直線的運(yùn)動分量，生成各自軸控數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相加處理，最終生成控制實際的軸控數(shù)據(jù)，下發(fā)AGV 數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行。

工藝驗證與工程應(yīng)用

1 工藝驗證

模擬實際脈動生產(chǎn)線運(yùn)作模式，搭建了工藝驗證平臺，導(dǎo)航測量場采用天津大學(xué)開發(fā)的室內(nèi)GPS設(shè)備，AGV車輛調(diào)度接受車間MES系統(tǒng)管理，現(xiàn)場中控臺通過工業(yè)以太網(wǎng)接受物流運(yùn)輸任務(wù)。AGV 車體參數(shù)4010mm×1810mm×675mm，采 用Mecanum 全向輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，四軸均為獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動，在平面內(nèi)具有前后移動、左右移動和原地回轉(zhuǎn)3個獨(dú)立運(yùn)動，適合復(fù)雜、緊湊的工作環(huán)境。室內(nèi)GPS基站數(shù)量8個，接收器6個?，F(xiàn)場中控臺通過OPC 與室內(nèi)GPS和AGV進(jìn)行實時通信。

如圖4所示，工藝驗證環(huán)境20m×10m，模擬直線段、轉(zhuǎn)彎段和接泊區(qū)導(dǎo)航定位工藝需求。首先構(gòu)建覆蓋工藝測試區(qū)域的室內(nèi)GPS導(dǎo)航測量控制場，按室內(nèi)GPS基站布局優(yōu)化設(shè)計方案，采用8 基站布局安放基站，并進(jìn)行標(biāo)定，確定導(dǎo)航控制場坐標(biāo)系和工作坐標(biāo)系之間的匹配關(guān)系，為AGV的準(zhǔn)確定位、沿規(guī)劃路徑準(zhǔn)確運(yùn)輸、精確泊車等奠定基礎(chǔ)。

理論上放置2個接收器即可實現(xiàn)AGV的自主導(dǎo)航，但考慮飛機(jī)脈動生產(chǎn)線上載運(yùn)零部件一般較大，容易發(fā)生光路遮擋，而且單個接收器有效角度約90°，轉(zhuǎn)彎處需多個基站接續(xù)測量，所以在AGV 上設(shè)置6個室內(nèi)GPS 接收器，可保證導(dǎo)航過程中有效測量數(shù)據(jù)不少于2個，接收器接受基站的定位信息，實時解算AGV的位置及姿態(tài)，為AGV 提供基礎(chǔ)導(dǎo)航支持和閉環(huán)控制手段，實現(xiàn)直線段、轉(zhuǎn)彎段的路徑控制和接泊區(qū)精定位控制。

AGV 導(dǎo)航工藝驗證現(xiàn)場環(huán)境溫度（25±3）℃，相對濕度50%～70%。工藝驗證前所有測量儀器及附件均在有效期內(nèi)，經(jīng)過校準(zhǔn)和標(biāo)定，滿足使用要求。現(xiàn)場設(shè)備預(yù)熱時間不少于1h。經(jīng)現(xiàn)場實際測試，取導(dǎo)航路徑上直線段、轉(zhuǎn)彎段和接泊區(qū)3 處數(shù)據(jù)，通過與激光跟蹤儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（初次激光跟蹤儀采集數(shù)據(jù)作為理論位置），導(dǎo)航定位精度工藝測試結(jié)果見表1。

由表1數(shù)據(jù)可見，在20m×10m的平面范圍內(nèi)，直線段導(dǎo)航角度偏差最大0.06°，位移偏差最大4.92mm；轉(zhuǎn)彎段導(dǎo)航角度偏差最大0.12°，位移偏差最大5.74mm；接泊區(qū)內(nèi)導(dǎo)航角度偏差最大0.01°，位移偏差最大0.37mm，滿足飛機(jī)脈動生產(chǎn)線AGV運(yùn)輸導(dǎo)航精度要求。直線段和轉(zhuǎn)彎段誤差較大，其原因是此區(qū)域基站布局密度低，且未經(jīng)精確修正，同時受地面不平度影響，但總體上不影響料運(yùn)輸使用需求。

圖4 AGV導(dǎo)航工藝驗證Fig.4 Process certification of navigation for AGV

表1 測量精度對比Table1 Contrast of measure precision

2 工程應(yīng)用

以某型飛機(jī)后機(jī)身裝配脈動生產(chǎn)線為應(yīng)用場合，在對自動導(dǎo)引需求、工作情況、系統(tǒng)組成等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計了飛機(jī)后段自動導(dǎo)引運(yùn)輸技術(shù)的系統(tǒng)框架，并集成至車間MES 管理系統(tǒng)中，接收物流運(yùn)輸任務(wù)。通過構(gòu)建覆蓋機(jī)身對合工位、機(jī)器人制孔工位的室內(nèi)GPS導(dǎo)引動態(tài)測量的控制場，統(tǒng)一了導(dǎo)引運(yùn)輸坐標(biāo)系與裝配工作坐標(biāo)系。室內(nèi)GPS 測量頻率不低于10Hz，AGV 運(yùn)輸單元上設(shè)置位置多個（4～6點）接收器，接收室內(nèi)GPS導(dǎo)航測量場的基準(zhǔn)定位信息，實時解算AGV的平面位姿，并發(fā)送給現(xiàn)場中控臺?，F(xiàn)場中控臺根據(jù)實時測量值，將生產(chǎn)運(yùn)動控制指令并下發(fā)至AGV 運(yùn)動控制器，AGV 按照規(guī)劃路徑，在導(dǎo)航信息指導(dǎo)下，實現(xiàn)精確路徑控制和定位，完成AGV位置閉環(huán)控制，AGV 長距離運(yùn)動軌跡誤差不超過6mm，角度誤差不超過0.1°，接泊區(qū)經(jīng)過位姿修正定位誤差不超過0.5mm，角度誤差不超過0.02°，完全滿足物流運(yùn)輸需求，極大提升了脈動生產(chǎn)線物流運(yùn)輸自動化水平，保證了運(yùn)輸精度。

通過基于室內(nèi)GPS導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，拓展了AGV運(yùn)輸單元萬向行走、任意旋轉(zhuǎn)的能力，突破運(yùn)輸單元固定路徑的限制，大大增加了自動精確導(dǎo)引運(yùn)輸單元的定位精度和使用靈活性，促進(jìn)了飛機(jī)制造物流運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)步。

結(jié)論

針對飛機(jī)脈動生產(chǎn)線物流運(yùn)輸需求，本文提出了基于室內(nèi)GPS的AGV導(dǎo)航方案，開展了導(dǎo)航測量場優(yōu)化、車體姿態(tài)檢測和AGV位姿控制技術(shù)研究，搭建了AGV自動導(dǎo)航運(yùn)輸平臺，并集成至車間MES系統(tǒng)，突破運(yùn)輸單元固定路徑的限制，大大增加了自動精確導(dǎo)引運(yùn)輸單元的定位精度和使用靈活性，實現(xiàn)了飛機(jī)零部件的自動化精準(zhǔn)運(yùn)輸，提高了運(yùn)輸效率和精度，促進(jìn)了飛機(jī)裝配向自動化、數(shù)字化和柔性化發(fā)展。

在MES系統(tǒng)的管控下，構(gòu)建了覆蓋飛機(jī)脈動生產(chǎn)的導(dǎo)航測量場，實現(xiàn)了AGV精確路徑控制和定位，長距離運(yùn)動軌跡誤差不超過6mm，角度誤差不超過0.1°，接泊區(qū)經(jīng)過位姿修正定位誤差不超過0.5mm，角度誤差不超過0.02°。