AGV在復(fù)雜線路下運(yùn)行控制研究

張家琪 劉 祺

（天津理工大學(xué)，天津，300384）

0 引言

隨著自動(dòng)化物流系統(tǒng)、智能工廠的發(fā)展，自動(dòng)引導(dǎo)車(Automated Guided Vehicle，AGV）作為運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵工具之一，得到了越來越多的應(yīng)用[1]。

目前主流的AGV導(dǎo)航方式有：磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航。其中，磁導(dǎo)航是一種傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，也是目前應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)航方式。磁導(dǎo)航的原理是：預(yù)先在AGV的行駛路徑上敷設(shè)磁條，AGV通過磁條感應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引。磁導(dǎo)航AGV在復(fù)雜線路下運(yùn)行時(shí)，其路徑選擇以及交通控制是影響轉(zhuǎn)運(yùn)效率的關(guān)鍵因素，也是運(yùn)行控制中需要解決的主要問題。

1 基本信息設(shè)置

首先，需要根據(jù)AGV的運(yùn)行線路、工藝流程等因素設(shè)置基本信息，主要包括點(diǎn)(Point）表、路徑(Path）表、任務(wù)(Task） 、區(qū)域(Area）表。

1.1 點(diǎn)表

1.1.1 點(diǎn)的分類

點(diǎn)用來描述AGV運(yùn)行路線上的關(guān)鍵位置，根據(jù)用途，點(diǎn)可分為兩類：磁釘點(diǎn)和非磁釘點(diǎn)。

為了獲得AGV的位置，在AGV的運(yùn)行路線上，根據(jù)需要，設(shè)置編號(hào)不同的磁釘，這種設(shè)置磁釘?shù)狞c(diǎn)稱為磁釘點(diǎn)，主要用于準(zhǔn)確停位、路由控制等；當(dāng)AGV運(yùn)行到磁釘點(diǎn)上方時(shí)，讀取磁釘編號(hào)，就可知AGV當(dāng)前位置。磁釘點(diǎn)主要布置在以下位置。

1）停止點(diǎn)：AGV需要停止進(jìn)行工作的點(diǎn)；

2）多任務(wù)分配點(diǎn)：以該點(diǎn)為起點(diǎn)的任務(wù)有多個(gè)，需要在該點(diǎn)根據(jù)條件分配任務(wù)；

3）AGV反向運(yùn)行點(diǎn)： AGV在該點(diǎn)由正向運(yùn)行轉(zhuǎn)為反向運(yùn)行，或由反向運(yùn)行轉(zhuǎn)為正向運(yùn)行；

4）路徑三叉點(diǎn)；

5）路徑終點(diǎn)或需要交通管制的點(diǎn)；

6）減速點(diǎn)：為了在停止點(diǎn)停位準(zhǔn)確，根據(jù)需要在停止點(diǎn)的前方適當(dāng)位置設(shè)置減速點(diǎn)；

不設(shè)置磁釘?shù)狞c(diǎn)稱為非磁釘點(diǎn)，主要用于地圖顯示、路徑添加，設(shè)置在線路拐彎處、增加路徑處等。

1.1.2 點(diǎn)的主要屬性

1） 編號(hào)：點(diǎn)的序號(hào)，用于區(qū)別各個(gè)點(diǎn)；

2） X坐標(biāo)：點(diǎn)位置的X坐標(biāo)，用于地圖顯示和AGV位置計(jì)算和顯示；

3） Y坐標(biāo)：點(diǎn)位置的Y坐標(biāo)，用于地圖顯示和AGV位置計(jì)算和顯示；

4） 磁釘點(diǎn)：是否為磁釘點(diǎn)（1-磁釘點(diǎn)，0-非磁釘點(diǎn)）；

5） 叉點(diǎn)：是否為三叉點(diǎn)或十字叉點(diǎn)（1-叉點(diǎn)，0-非叉點(diǎn)）；

6） 加鎖區(qū)域：是否屬于某個(gè)加鎖區(qū)域（0-不屬于加鎖區(qū)域，非0-加鎖區(qū)域編號(hào)）；叉點(diǎn)與加鎖區(qū)域不能同時(shí)設(shè)置；

7） 叉點(diǎn)加鎖標(biāo)志：叉點(diǎn)時(shí)，是否已被AGV加鎖（1-已被加鎖，0-未被加鎖）；

8） 叉點(diǎn)加鎖AGV編號(hào)：叉點(diǎn)被AGV加鎖時(shí)，對應(yīng)的AGV編號(hào)（0-未被加鎖，非0-AGV編號(hào)）；

9） 工位點(diǎn)加鎖標(biāo)志：若該點(diǎn)是任務(wù)終點(diǎn)，是否已被AGV加鎖（1-已被加鎖，0-未被加鎖）。

需要注意的是，上述屬性第1）-6）項(xiàng)的屬性值需要預(yù)先定義；屬性第7）-9）項(xiàng)在運(yùn)行控制過程中動(dòng)態(tài)寫入。

1.2 路徑表

路徑指以相鄰的兩個(gè)點(diǎn)為端點(diǎn)的有向線段，路徑有起點(diǎn)、終點(diǎn)；起點(diǎn)、終點(diǎn)相反的路徑互為反向路徑，也稱雙向路徑。路徑的主要屬性如下。

1） 編號(hào)：路徑的序號(hào)，用于區(qū)別各個(gè)路徑；

2） 起點(diǎn)：路徑起點(diǎn)編號(hào)；

3） 終點(diǎn)：路徑終點(diǎn)編號(hào)；

4） 長度：路徑長度；

5） 車頭方向：AGV在路徑上運(yùn)行時(shí)的車頭方向；AGV車頭方向與路徑方向一致時(shí)，為正向前進(jìn)；否則，為反向后退（1-正向，0-反向）；

6） 轉(zhuǎn)向（左中右）：當(dāng)路徑終點(diǎn)為三叉點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)向?yàn)樽蠡蛴遥划?dāng)路徑終點(diǎn)為非三叉點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)向?yàn)橹校?/p>

7） 速度：AGV在路徑上的運(yùn)行速度；

8） 反向路徑：當(dāng)前路徑的反向路徑編號(hào)（0-無反向路徑，非0-反向路徑編號(hào)）；

9） 象限：當(dāng)路徑為圓弧時(shí),圓弧相對于圓心所在的象限，這用于計(jì)算AGV在圓弧上的位置和方向（0-直線，1~4-象限）；

10）雙向加鎖標(biāo)志：雙向路徑時(shí)，是否已被AGV加鎖（1-已被加鎖，0-未被加鎖）；

11）雙向加鎖AGV編號(hào)：雙向路徑被AGV加鎖時(shí)，對應(yīng)的AGV編號(hào)（0-未被加鎖，非0-AGV編號(hào)）。

需要注意的是，上述屬性第1）-9）項(xiàng)的屬性值需要預(yù)先定義；屬性第10）-11）項(xiàng)在運(yùn)行控制過程中動(dòng)態(tài)寫入。

1.3 任務(wù)表

任務(wù)由多個(gè)依次相連的路徑組成，也可理解為由多個(gè)依次相連的點(diǎn)組成，表示AGV運(yùn)行路線。任務(wù)的主要屬性如下。

1） 起點(diǎn)：要求為磁釘點(diǎn)；

2） 中間點(diǎn)1~中間點(diǎn)10：（0-不使用或無，非0-中間點(diǎn)編號(hào)）；

3） 終點(diǎn)：要求為磁釘點(diǎn)；

4） 終點(diǎn)停止：AGV到達(dá)任務(wù)終點(diǎn)時(shí)是否停止進(jìn)行等待；

5） 終點(diǎn)加鎖：任務(wù)終點(diǎn)是否需要加鎖（1-需要加鎖，0-不需要加鎖）；

6） 解鎖點(diǎn)：到達(dá)該點(diǎn)時(shí)，是否解鎖任務(wù)起點(diǎn)；用于特殊工位點(diǎn)交通控制。

需要注意的是，上述屬性的屬性值需要預(yù)先定義。

1.4 區(qū)域表

把兩個(gè)或多個(gè)相鄰的點(diǎn)定義為一個(gè)區(qū)域；用于交通管制。

區(qū)域的主要屬性如下：

1） 編號(hào)：區(qū)域的序號(hào)，用于區(qū)別各個(gè)區(qū)域；

2） 區(qū)域加鎖標(biāo)志：區(qū)域是否已被AGV加鎖（1-已被加鎖，0-未被加鎖）；

3） 區(qū)域加鎖AGV編號(hào)：當(dāng)區(qū)域被AGV加鎖時(shí)，對應(yīng)的AGV編號(hào)（0-未被加鎖，非0-AGV編號(hào)）。

1.5 示例

本示例取某新能源汽車電池檢測線路的一部分并簡化為例進(jìn)行說明，如圖1所示。

圖1 新能源汽車電池檢測線簡化圖

示例圖工作流程說明如下：

1） 點(diǎn)03：待測電池裝載點(diǎn)；

2） 點(diǎn)09：任務(wù)分配點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)21、24的使用情況進(jìn)行分配或等待；

3） 點(diǎn)21、24：電池檢測點(diǎn)，檢測完成后，根據(jù)檢測結(jié)果（合格、不合格）和點(diǎn)26的使用情況進(jìn)行分配或等待，檢測合格時(shí)到點(diǎn)02結(jié)束下線，檢測不合格且點(diǎn)26空閑時(shí)到點(diǎn)26進(jìn)行維修，檢測不合格且點(diǎn)26忙時(shí)等待點(diǎn)26空閑；

4） 點(diǎn)26：電池維修點(diǎn)，維修完成后，需要再次進(jìn)行檢測，根據(jù)點(diǎn)21、24的使用情況進(jìn)行分配或等待；

5） 點(diǎn)02：檢測完成電池卸載點(diǎn)。

根據(jù)工作流程，任務(wù)路徑配置如下：

2 任務(wù)分配

一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成，自動(dòng)分配新任務(wù)，實(shí)現(xiàn)AGV的路徑選擇和自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。

2.1 任務(wù)分配時(shí)機(jī)

根據(jù)任務(wù)屬性“終點(diǎn)停止”確定任務(wù)分配時(shí)機(jī)；當(dāng)終點(diǎn)停止時(shí)，AGV到達(dá)任務(wù)終點(diǎn)停止等待放行信號(hào)，再分配新任務(wù)；當(dāng)終點(diǎn)不停止時(shí)，AGV進(jìn)入任務(wù)的最后路徑開始分配新任務(wù)。

2.2 任務(wù)分配方式

根據(jù)任務(wù)終點(diǎn)確定任務(wù)分配方式；當(dāng)以該點(diǎn)為任務(wù)起點(diǎn)的任務(wù)有多個(gè)時(shí)，稱為多任務(wù)，需要根據(jù)條件進(jìn)行邏輯判斷再進(jìn)行分配。這部分邏輯判斷可以根據(jù)項(xiàng)目編寫特定程序?qū)崿F(xiàn)，也可以采用“通用程序+參數(shù)配置”方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)以該點(diǎn)為任務(wù)起點(diǎn)的任務(wù)只有一個(gè)，稱為單任務(wù)，編寫通用程序?qū)崿F(xiàn)。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，大部分任務(wù)為單任務(wù)。

3 任務(wù)運(yùn)行

控制AGV的基本命令有前進(jìn)、后退、停止、速度、轉(zhuǎn)向（左中右）。這些基本命令的參數(shù)設(shè)置在路徑中，不同的路徑可以設(shè)置不同的命令參數(shù)。

AGV實(shí)時(shí)反饋?zhàn)钚陆?jīng)過的磁釘編號(hào)以及經(jīng)過該磁釘后運(yùn)行的距離，任務(wù)運(yùn)行邏輯根據(jù)這兩個(gè)實(shí)時(shí)反饋值，確定AGV所在的路徑，然后根據(jù)路徑的命令參數(shù)及外界條件，控制AGV運(yùn)行。

3.1 叉點(diǎn)交通控制

叉點(diǎn)是一種特殊的點(diǎn)，分為三叉點(diǎn)和十字叉點(diǎn)；圖1中點(diǎn)18為三叉點(diǎn)；點(diǎn)10為十字叉點(diǎn)。

當(dāng)兩個(gè)AGV同時(shí)進(jìn)入叉點(diǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)AGV雷達(dá)報(bào)警，造成障礙停止；為了避免這一情況發(fā)生，采用叉點(diǎn)獨(dú)占方式進(jìn)行交通控制。

叉點(diǎn)控制邏輯如下：

1）若終點(diǎn)不是叉點(diǎn)，則繼續(xù)行駛；

2）若終點(diǎn)是叉點(diǎn)且未被加鎖，則加鎖終點(diǎn)；

3）若終點(diǎn)是叉點(diǎn)且被本AGV加鎖，則繼續(xù)行駛；

4）若終點(diǎn)是叉點(diǎn)且被其他AGV加鎖，則停止等待；

5）當(dāng)AGV到達(dá)路徑終點(diǎn)時(shí)，若路徑起點(diǎn)是叉點(diǎn)且被當(dāng)前AGV鎖定，則解鎖起點(diǎn)；

例如圖1中任務(wù)T4，當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)22時(shí)，加鎖點(diǎn)18；當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)19時(shí)，解鎖點(diǎn)18。

3.2 區(qū)域交通控制

由于AGV尺寸和路徑長度的原因，當(dāng)某一區(qū)域線路復(fù)雜，利用叉點(diǎn)交通控制不能滿足要求時(shí)，可以把多個(gè)點(diǎn)定義為一個(gè)區(qū)域，使用區(qū)域加鎖的方法進(jìn)行控制。

區(qū)域控制邏輯如下。

1） 若路徑終點(diǎn)不屬于區(qū)域，則繼續(xù)行駛；

2） 若路徑終點(diǎn)屬于某個(gè)區(qū)域且該區(qū)域未被加鎖，則加鎖該區(qū)域；

3） 若路徑終點(diǎn)屬于某個(gè)區(qū)域且該區(qū)域被本AGV加鎖，則繼續(xù)行駛；

4） 若路徑終點(diǎn)屬于某個(gè)區(qū)域且該區(qū)域被其他AGV加鎖，則停止等待；

5） 當(dāng)AGV到達(dá)路徑終點(diǎn)且路徑終點(diǎn)不屬于該區(qū)域時(shí)，若路徑起點(diǎn)屬于某個(gè)區(qū)域且該區(qū)域被本AGV加鎖，則解鎖該區(qū)域；

在圖1中，點(diǎn)10、11、20組成區(qū)域定義為A1，點(diǎn)10、11、20的屬性“加鎖區(qū)域”都設(shè)為A1。例如任務(wù)T2，當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)09時(shí)，加鎖區(qū)域A1；當(dāng)?shù)竭_(dá)點(diǎn)21時(shí)，解鎖區(qū)域A1。

3.3 特殊工位點(diǎn)交通控制

某些工位點(diǎn)不允許兩個(gè)或多個(gè)AGV同時(shí)進(jìn)入；為了避免同時(shí)進(jìn)入而造成的錯(cuò)誤，采用工位點(diǎn)獨(dú)占方式進(jìn)行交通控制。在圖1中，點(diǎn)21、24、26屬于這類特殊工位點(diǎn)。

1） 特殊工位點(diǎn)加鎖。

AGV在任務(wù)分配時(shí)，查找符合條件且任務(wù)終點(diǎn)未加鎖的任務(wù)，若找到，則加鎖任務(wù)終點(diǎn)，并為AGV分配該任務(wù)。

例如圖1中假設(shè)AGV在點(diǎn)21電池檢測不合格需要維修，則任務(wù)T5滿足條件，若任務(wù)T5的終點(diǎn)26未被加鎖，則加鎖點(diǎn)26，并為AGV分配任務(wù)T5；否則，等待。

2） 特殊工位點(diǎn)解鎖。

當(dāng)AGV當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完成，到達(dá)任務(wù)終點(diǎn)時(shí)，不能立即解鎖任務(wù)終點(diǎn)，要確保AGV執(zhí)行新任務(wù)離開并和另一進(jìn)入的AGV不發(fā)生碰撞時(shí)，才能解鎖。為了解決這一問題，采用在任務(wù)屬性中設(shè)置解鎖點(diǎn)的方法：當(dāng)AGV離開到達(dá)解鎖點(diǎn)時(shí)，解鎖任務(wù)起點(diǎn)。

圖1中以點(diǎn)26為起點(diǎn)的任務(wù)分別為T8、T9 、T10、T11，在這些任務(wù)中分別設(shè)置解鎖點(diǎn)為點(diǎn)15。這樣，當(dāng)AGV執(zhí)行這些任務(wù)，到達(dá)點(diǎn)15時(shí)解鎖任務(wù)起點(diǎn)26。

3.4 雙向交通控制

當(dāng)兩輛AGV沿互為反向的路徑相對行駛時(shí)，如果不加控制，將產(chǎn)生交通堵塞。例如圖1中，對于任務(wù)T3和T10，點(diǎn)11和點(diǎn)13之間的路徑為需要雙向交通控制的路徑。

解決雙向交通控制的問題有兩種方法：一是在設(shè)計(jì)路線和任務(wù)時(shí)盡量減少或避免這種情況發(fā)生，這樣可以減少AGV互相等待的時(shí)間；二是通過交通控制的方法解決，其控制邏輯如下。

1） 若下一路徑不是雙向路徑，則繼續(xù)行駛；

2） 若下一路徑是雙向路徑且未被加鎖，同時(shí)所有未完成路徑中的雙向路徑的反向路徑均未加鎖時(shí)，對所有未完成路徑中的雙向路徑加鎖；否則，停止等待：

3） 若下一路徑是雙向路徑且被本AGV加鎖，則繼續(xù)行駛；

4） 若下一路徑是雙向路徑且被其他AGV加鎖，則停止等待；

5） 當(dāng)AGV到達(dá)路徑終點(diǎn)時(shí)，若當(dāng)前路徑是雙向路徑，則解鎖當(dāng)前路徑。

4 地圖顯示

4.1 計(jì)算AGV坐標(biāo)及角度

為了計(jì)算簡單，路徑只有直線路徑和標(biāo)準(zhǔn)四分之一圓弧路徑兩種；AGV實(shí)時(shí)反饋?zhàn)钚麓裴斁幪?hào)以及經(jīng)過該磁釘后運(yùn)行的距離，根據(jù)這兩個(gè)實(shí)時(shí)反饋值，確定AGV所在的路徑、坐標(biāo)值及角度。

為了計(jì)算AGV在圓弧路徑上的坐標(biāo)和方向，需要在路徑屬性中定義圓弧相對于圓心所在的象限。

4.2 地圖顯示

為了在顯示器或觸摸屏上顯示地圖及AGV，需要把上面計(jì)算的實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示器坐標(biāo)。其轉(zhuǎn)換公式如下：

M_X= (Act_X- LD_X）* M_W/ Act_W；

M_Y= M_H- (Act_Y- LD_Y）* M_H/ Act_H。

公式中各參數(shù)含義如下：

Act_X、ACt_Y：實(shí)際坐標(biāo)；

Act_W、Act_H：運(yùn)行路線的實(shí)際大?。?/p>

LD_X、LD_Y：運(yùn)行路線左下角坐標(biāo)；

M _X、M_Y：顯示屏顯示坐標(biāo)；

M_W、M_H：顯示屏分辨率。

5 結(jié)束語

AGV在復(fù)雜線路下按照工藝要求合理順暢地運(yùn)行是AGV運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。同時(shí)，AGV運(yùn)行控制系統(tǒng)也要實(shí)時(shí)反饋AGV的運(yùn)行狀態(tài)，特別是當(dāng)AGV停止運(yùn)行時(shí)，要反饋停止運(yùn)行的原因。