動態(tài)精準定位技術在某玻璃纖維企業(yè)AGV系統(tǒng)中的應用研究

文/李騰飛 劉新偉 張恩光 張正偉 李煥龍

近年來，隨著用工成本增加，制造企業(yè)為降低成本、增加產(chǎn)量，越來越多地應用自動化設備代替人工操作。自動導引小車（AGV）是自動化設備中技術較為成熟的一種，尤其適用于工廠內部搬運頻率高、搬運距離遠、重量較重的物料，從而實現(xiàn)工廠內物料搬運的自動化，更好地協(xié)調各個工藝之間進度。

在傳統(tǒng)的AGV物料搬運系統(tǒng)中，取卸貨站臺是固定的，即不會因為其他因素而導致其位置改變。而在某些工業(yè)場景下，AGV的取卸貨站臺存在移動問題，從而使AGV難以精確地將貨物放置到指定站臺，或從指定站臺取到貨物，部分學者[1-9]對不同導航方式下AGV定位精度問題進行了研究，還有部分學者[10]對AGV可視化監(jiān)控技術進行了研究，但目前尚未發(fā)現(xiàn)研究取卸貨站臺移動問題的相關文獻。

本文針對某玻璃纖維企業(yè)一車間物料搬運過程中取卸貨站臺移動問題進行了研究，通過對實際場景中固有誤差的計算，在AGV系統(tǒng)中添加了激光測距設備，同時將站臺移動的距離離散化，將一個站臺分為多個離散分布的站臺，該方案可使AGV成功駛向合適的站臺，完成取卸貨操作。

一、某車間搬運流程與AGV系統(tǒng)實現(xiàn)

1.搬運流程

某玻璃纖維企業(yè)計劃對一車間進行改造，將由人工利用行吊起重機完成的布卷搬運操作，改由AGV完成，以此實現(xiàn)布卷搬運自動化，達到節(jié)省勞動力的目的。

該搬運操作主要包含三步：第一步，將放卷機上取下的空軸搬運至空軸架；第二步，操作人員利用行吊將立庫口鐵托盤上的布卷搬運至放卷機；第三步，操作人員利用行吊將空軸放置到立庫口鐵托盤上。搬運操作流程，如圖1所示。

圖1 搬運流程示意圖

2.AGV系統(tǒng)實現(xiàn)

放卷機的機械臂兩側各夾一個布卷，當一個布卷放完后，另一個布卷旋轉到放卷位置，但在放第二卷布開始時，放卷機會根據(jù)上一卷布的位置進行小幅度左右移動，使第二卷布與第一卷布對齊，為此AGV系統(tǒng)中添加了激光測距儀，可以根據(jù)測距儀讀取的距離參數(shù)對AGV放卷位置進行調整。

放卷機機械臂兩種狀態(tài)示意圖，如圖2和圖3所示。其中，圖2表示放卷機上側布卷放完布后只剩空軸的狀態(tài)；圖3表示當放卷機上側布卷放完布，放卷機機械臂通過順時針旋轉180°，通過人工搬運將新布卷放置到空軸位置后的狀態(tài)。

圖2 放卷機放完卷狀態(tài)示意圖

圖3 放卷機補充完新卷示意圖

當放卷機處的布卷放完只剩空軸時，人工使用移動數(shù)據(jù)采集器或操縱臺在AGV調度系統(tǒng)下發(fā)任務，AGV調度系統(tǒng)接收到任務后通過與NDC系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)AGV的搬運工作，具體如圖4所示。

圖4 AGV系統(tǒng)構成

AGV收到系統(tǒng)命令后，前往放卷機執(zhí)行取空軸動作，在前往放卷機的過程中讀取激光測距儀的參數(shù)，AGV系統(tǒng)根據(jù)讀取的距離參數(shù)為AGV分配放卷機處的站臺。AGV取得空軸后，將空軸搬運至空軸架，執(zhí)行卸空軸動作；卸完空軸后前往立庫口取布卷，取布卷之前請求立庫口PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）；待立庫PLC允許取貨后，AGV取布卷；取布卷完成后向立庫PLC發(fā)送取貨完成信號，立庫PLC回復取貨完成確認；AGV收到取貨完成確認后，前往放卷機；在前往放卷機的過程中，AGV系統(tǒng)讀取激光測距儀的距離參數(shù)，根據(jù)距離參數(shù)將布卷放置放卷機處，最后AGV將空軸架處的空軸搬運至立庫口。在立庫口放置空軸之前，同樣需要對立庫口PLC進行卸貨請求，待立庫口PLC允許卸貨后AGV將空軸放置立庫口；AGV卸完空軸后向立庫口PLC發(fā)送卸貨完成信號，待立庫口PLC回復卸貨完成確認后，AGV回到充電站或執(zhí)行下一個任務。AGV搬運流程，如圖5所示。

圖5 AGV搬運流程圖

二、系統(tǒng)設計重點問題與項目應用中的技術創(chuàng)新

1.系統(tǒng)設計的重點問題

放卷機在開始放新布卷時會進行左右小幅度移動，以此使新放的布卷與原來的布對齊，對齊之后放卷機便不再移動。放卷機移動幅度最大能達到200毫米，這就造成了放卷機站臺位置的不確定，而放卷機允許的最大放置誤差為17毫米（當AGV處于放卷機正中位置時，貨叉距放卷機兩端承接布卷設備的距離），AGV放置誤差超過這個范圍后就會撞到放卷機，無法使布卷準確地放置在放卷機上。AGV放布卷示意圖，如圖6所示。

圖6 AGV放布卷示意圖

如圖7所示，假設需要AGV將物品由A點搬運到B點，A點和B點的位置都是固定的，AGV系統(tǒng)較為容易實現(xiàn)該操作。而如圖8所示，假設不同時刻AGV將物品由A’點搬運到B’點過程中，B’點會在一定長度的范圍內移動，這種移動就增加了AGV放置的難度。

圖7 傳統(tǒng)取卸貨地點

圖8 移動站臺取卸貨

傳統(tǒng)的AGV系統(tǒng)在繪制AGV運行地圖時，所有站臺都是固定的，AGV取卸貨的位置也相對固定。如何在使用傳統(tǒng)繪制的AGV運行地圖前提下，解決取卸貨站臺移動問題，是本文研究的重點。

2.技術創(chuàng)新

針對AGV取卸貨站臺移動問題，本文提出將連續(xù)距離離散化，在移動站臺處繪制多個間距近似相等的站臺，并使AGV系統(tǒng)在移動站臺入口點讀取激光測距儀參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)距離參數(shù)分配AGV駛向合適的站臺，如圖9所示。

圖9 離散化站臺示意圖

當AGV從A’點搬運物品到B’點時，因為已經(jīng)將B’離散化為多個點，所以AGV行駛至C點時AGV系統(tǒng)讀取激光測距儀參數(shù)，并根據(jù)距離參數(shù)分配AGV前往合適的站臺，至此移動站臺的問題就得到了解決。

放卷機處的多個站臺坐標計算方法如下：

為了便于計算，本文假設放卷機只進行橫向移動，縱向坐標恒定。示意圖如圖10所示，其中矩形代表放卷機，放卷機可以橫向移動，左側矩形表示放卷機移動到最左側處的位置，b為放卷機移動到最左側處時激光測距儀的讀數(shù)，右側矩形表示放卷機移動到最右側處的位置，a為放卷機移動到最右側處時激光測距儀的讀數(shù)，（Xa,Y a）表示當放卷機移動到最右側位置時放卷機處站臺在地圖上的坐標，Xa為橫坐標，Ya為縱坐標，為放卷機最大偏移距離值。當AGV由A點到達C點時，AGV系統(tǒng)讀取激光測距儀距離參數(shù)，根據(jù)當前距離參數(shù)、a，以及（Xa,aY ）確定放卷機在地圖上的坐標，進而確定AGV將要駛向的站臺。

圖10 放卷機（矩形）與激光測距設備（藍色圓形）相對位置示意圖

計算涉及到的參數(shù)如下：

a放卷機距激光測距儀最近時（最右側）激光測距儀讀數(shù)，當激光測距儀位置確定后，a由放卷機最右側限位決定，單位毫米；

b放卷機距激光測距儀最遠時（最左側）激光測距儀讀數(shù)，當激光測距儀位置確定后，b由放卷機最左側限位決定，單位毫米；

本文研究了在放卷機移動場景下，AGV系統(tǒng)通過添加激光測距儀獲取距離參數(shù)，對放卷機精準定位，分配合適的站臺，使AGV準確地將布卷放置到放卷機上。

當放卷機距激光測距儀最近時放卷機站臺的橫坐標，單位毫米；

Ya當放卷機距激光測距儀最近時放卷機站臺的縱坐標，單位毫米；

m站臺數(shù)量

具體計算步驟：

計算離散化后的站臺數(shù)量m；

則第i個站臺的坐標為(Xi,Ya)。

三、實驗與結果分析

實驗采取人工下發(fā)任務模式，通過AGV調度系統(tǒng)將任務下發(fā)至NDC系統(tǒng)，NDC系統(tǒng)與AGV協(xié)作共同完成物料搬運與取卸貨作業(yè)。

本次實驗中激光測距儀最大偏移讀數(shù)為922毫米，最小偏移讀數(shù)為827毫米，最小劃分單元為5毫米，共設有20個站臺，其中站臺與其偏移讀數(shù)、偏移讀數(shù)范圍對應關系，如表1所示。當激光測距儀讀數(shù)范圍在偏移讀數(shù)范圍內時，AGV前往指定偏移讀數(shù)的站臺。

表1 站臺與偏移讀數(shù)對應表

為了驗證精確定位技術在玻纖行業(yè)AGV系統(tǒng)中的可行性，本文連續(xù)進行了20組實驗，其中每組實驗包括取空軸和放布卷兩種操作，下面對兩種操作在各個站臺取軸、放布卷次數(shù)進行統(tǒng)計分析（如圖11所示），并對AGV每次放布卷時實際取軸、放布卷位置與指定取軸、放布卷位置進行誤差分析，具體如圖12所示。

圖11 站臺取軸/放布卷次數(shù)圖

圖12 取軸/放布卷誤差及其次數(shù)

從圖11中可以看出，AGV取放貨站臺集中在12、13、14、15和16站臺，放卷機在布卷換卷過程中雖然存在移動，但其移動范圍較小。

取軸誤差與放布卷誤差，為AGV實際到達位置與AGV指定到達位置之差的絕對值。從圖12可以看出，在20次實驗中AGV誤差范圍均在3毫米以內，小于允許誤差17毫米，由此可以判斷精確定位技術在AGV系統(tǒng)中具有一定的穩(wěn)定性。

三、總結

本文研究了在放卷機移動場景下，AGV系統(tǒng)通過添加激光測距儀獲取距離參數(shù)，對放卷機精準定位，分配合適的站臺，使AGV準確地將布卷放置到放卷機上。在本文實驗中，AGV取放最大誤差為3毫米，小于最大允許誤差17毫米，AGV取放誤差受到導航方式、載貨狀態(tài)、控制系統(tǒng)精度以及地面整潔程度等因素影響，在實際應用中應考慮影響誤差的因素，盡量減少取放誤差。本文研究拓展了AGV作業(yè)的應用場景，使原來不適合AGV作業(yè)的場景可以用AGV實現(xiàn)。