自動化集裝箱碼頭自動導(dǎo)引車導(dǎo)航定位及控制原理

唐立輝 殷健

自動導(dǎo)引車（automatic guided vehicle，AGV）具備無人駕駛、自動導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、安全避障等智能化功能，目前已逐步替代傳統(tǒng)集卡，成為自動化集裝箱碼頭普遍采用的水平運輸設(shè)備。本文介紹AGV導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合AGV在自動化集裝箱碼頭的實際應(yīng)用情況，闡述基于航位推算和絕對位置校正的AGV導(dǎo)航定位及控制原理。

1 AGV導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

AGV導(dǎo)航定位主要采用直接坐標(biāo)導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航等技術(shù)。

（1）直接坐標(biāo)導(dǎo)航 直接坐標(biāo)導(dǎo)航的實現(xiàn)原理如下：用定位塊將AGV行駛區(qū)域按坐標(biāo)劃分成若干小區(qū)域，并通過對小區(qū)域計數(shù)實現(xiàn)AGV導(dǎo)引。直接坐標(biāo)導(dǎo)航的區(qū)域劃分方式分為光電式和電磁式：前者以不同顏色劃分小區(qū)域，并通過光電器件計數(shù);后者以金屬塊或磁塊劃分小區(qū)域，并通過電磁感應(yīng)器件計數(shù)。直接坐標(biāo)導(dǎo)航的優(yōu)點是：支持路徑修改;導(dǎo)引可靠性較高;對環(huán)境無特殊要求。直接坐標(biāo)導(dǎo)航的缺點是：地面測量安裝工程復(fù)雜;導(dǎo)引和定位精度較低，無法滿足復(fù)雜路徑的導(dǎo)引要求。

（2）電磁導(dǎo)航 電磁導(dǎo)航的實現(xiàn)原理如下：沿AGV行駛路徑在地下埋設(shè)金屬線，并在金屬線上加載導(dǎo)引頻率，通過識別導(dǎo)引頻率實現(xiàn)AGV導(dǎo)引。電磁導(dǎo)航的優(yōu)點是：引線較為隱蔽，不易遭受污染和破損;導(dǎo)引原理簡單、可靠，便于控制和通信;不受聲光干擾;制造成本較低。電磁導(dǎo)航的缺點是：難以實現(xiàn)路徑更改和擴(kuò)展，應(yīng)用于復(fù)雜路徑導(dǎo)引時存在較大的局限性。

（3）磁帶導(dǎo)航 磁帶導(dǎo)航的實現(xiàn)原理如下：沿AGV行駛路徑在地面粘貼磁帶，通過磁感應(yīng)信號實現(xiàn)AGV導(dǎo)引。磁帶導(dǎo)航的優(yōu)點是：靈活性較強，易于改變或擴(kuò)展路徑;磁帶鋪設(shè)簡單易行。磁帶導(dǎo)航的缺點是：容易受環(huán)路周圍金屬物質(zhì)干擾;對磁帶機(jī)械損傷極為敏感;導(dǎo)引可靠性較低。

（4）光學(xué)導(dǎo)航 光學(xué)導(dǎo)航的實現(xiàn)原理如下：沿AGV行駛路徑在地面涂漆或粘貼色帶，通過對攝像機(jī)采集的色帶圖像信號進(jìn)行簡單處理實現(xiàn)AGV導(dǎo)引。光學(xué)導(dǎo)航的優(yōu)點是：靈活性較好;地面路線設(shè)置簡單易行。光學(xué)導(dǎo)航的缺點是：對色帶污染和機(jī)械磨損十分敏感，對環(huán)境要求較高;導(dǎo)引可靠性較低，難以實現(xiàn)精確定位。

（5）激光導(dǎo)航 激光導(dǎo)航的實現(xiàn)原理如下：在AGV行駛路徑周圍的精確位置設(shè)置激光反射板，由安裝在AGV上的激光雷達(dá)向激光反射板發(fā)射激光束，通過采集和分析激光反射板反射的激光束確定當(dāng)前AGV的位置和方向，并通過連續(xù)的三角幾何運算實現(xiàn)AGV導(dǎo)引。激光導(dǎo)航最突出的優(yōu)點是：無須在地面設(shè)置其他定位設(shè)施就能實現(xiàn)精確定位，并能實現(xiàn)靈活多變的行駛路徑，適用于多種現(xiàn)場環(huán)境。

（6）全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航 全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航通過衛(wèi)星跟蹤非固定路面系統(tǒng)中的控制對象，并實現(xiàn)對控制對象制導(dǎo)，通常應(yīng)用于室外遠(yuǎn)距離場景。目前此項技術(shù)還在不斷發(fā)展和完善中，其精度取決于衛(wèi)星的數(shù)量和精度以及控制對象所處的環(huán)境等。

2 自動化集裝箱碼頭AGV導(dǎo)航定位及控制原理

2.1 AGV導(dǎo)航定位

自動化集裝箱碼頭AGV采用基于航位推算和絕對位置校正的導(dǎo)航定位技術(shù)，涉及的硬件包括無線射頻識別天線、定位磁釘、慣性測量單元（陀螺儀）和編碼器等。

（1）航位推算 航位推算即在已知AGV初始位置的情況下，由安裝在AGV上的陀螺儀、轉(zhuǎn)速編碼器和轉(zhuǎn)角編碼器采集AGV車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角度等數(shù)據(jù)，并據(jù)此推算AGV的當(dāng)前位置和運動狀態(tài)。航位推算能夠快速推算AGV位置，并且推算出的位置在短時間內(nèi)具有較高精度;但由于航位推算基于速度積分求解AGV位置，其累積誤差與時間成正比，即從AGV離開初始位置開始，經(jīng)過的時間越長，航位推算的累積誤差越大，最終導(dǎo)致AGV偏離預(yù)定軌跡。為了消除航位推算的累積誤差，需要設(shè)置絕對位置參考點，對AGV實施絕對位置校正。

（2）絕對位置校正 AGV絕對位置校正通過無線射頻識別感應(yīng)天線（見圖1）和磁釘（見圖2）實現(xiàn)，其中：無線射頻識別感應(yīng)天線安裝在AGV車身前后位置，呈對稱布置;磁釘為無源元件，埋設(shè)在地下，呈有規(guī)律的網(wǎng)格狀布局（見圖3），并且每個磁釘相對于堆場坐標(biāo)系原點的位置均通過全站儀精確測量。當(dāng)AGV經(jīng)過磁釘時，無線射頻識別感應(yīng)天線讀取該磁釘?shù)木幪柤捌湓谔炀€坐標(biāo)系中的絕對位置，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出AGV在堆場坐標(biāo)系中的絕對位置，從而消除航位推算產(chǎn)生的累積誤差。

2.2 AGV導(dǎo)航控制

AGV導(dǎo)航控制基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理[1]實現(xiàn)。由AGV規(guī)格參數(shù)可知AGV的軸距、輪距和車輪半徑，并由轉(zhuǎn)角編碼器和轉(zhuǎn)速編碼器分別采集各個車輪的轉(zhuǎn)向角和角速率。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，建立AGV運動學(xué)模型，計算得出前后軸中心的合成轉(zhuǎn)向角和合成角速率，進(jìn)而求得各個車輪的轉(zhuǎn)彎半徑以及前后軸中心的合成轉(zhuǎn)彎半徑和合成速率?；谕勇輧x等慣性測量單元采集的實時數(shù)據(jù)，計算得到AGV中心的實時三軸線性加速度和角速度，結(jié)合AGV的當(dāng)前位置和姿態(tài)及其偏離預(yù)定軌跡的狀態(tài)，采用前饋控制和比例積分微分控制算法控制AGV車輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角度等參數(shù)，實現(xiàn)AGV自動導(dǎo)航控制。

3 結(jié)束語

基于航位推算和絕對位置校正的導(dǎo)航定位和控制技術(shù)具有定位精確、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，能夠適應(yīng)自動化集裝箱碼頭作業(yè)路徑復(fù)雜、設(shè)備同時作業(yè)等工況，已廣泛應(yīng)用于自動化集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾錦鋒，陳晨，楊蒙愛. 基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理的四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計[J]. 輕工機(jī)械，2013，31（3）：13-16.

（編輯：張敏 收稿日期：2020-06-18）